Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
В.В. Нескоромных 
 
 

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД  
ПРИ ПРОВЕДЕНИИ  
ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ 

 
 
Рекомендовано УМО по образованию в области прикладной геологии в 
качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 130203 «Технология и техника разведки 
месторождений полезных ископаемых» направления подготовки 130200 
«Технологии геологической разведки» 
(решение УМС №01-04-УМО/26 от 01.04.08 г.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

УДК 622.243 (075.8) 
 
 
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор кафедры горных машин ИрГТУ, 
заслуженный работник высшей школы РФ Н.Н. Страбыкин; 
ведущий 
специалист 
ФГУГП 
«Иркутскгеофизика» 
А.В. Новобрицкий                        
 
Нескоромных В.В. 
Н552 Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных 
работ: учеб. пособие / В.В. Нескоромных. – Красноярск : СФУ, 2012. –
298 с. 
 
Рассмотрены основы механики сплошной среды, методы определения 
механических 
свойств 
горных 
пород, 
процессы 
при 
механическом 
вращательном, вращательно-ударном и ударно-вращательном способах бурения 
горных пород, параметры и свойства, определяющие буримость горных пород. 
Внимание уделено механизму разрушения горных пород при бурении 
различными типами породоразрушающих инструментов. 
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по 
направлению 130200 «Технологии геологической разведки», специальность 
130203 «Технология и техника разведка месторождений полезных ископаемых» 
(ГОС ВПО - 2000) и по направлению подготовки (специальности) 130102.65  
«Технология 
геологической 
разведки», 
специализация 
130101.65.00.03 
«Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» 
(ФГОС ВПО – 2010) при изучении дисциплины профессионального цикла С.3 
«Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ». 
Книга будет полезна для аспирантов научных направлений 25.00.14 – 
«Технология и техника геологоразведочных работ», 25.00.15 – «Технология 
бурения и освоения скважин», научных сотрудников и специалистов 
производственных организаций, занятых решением технологических задач 
бурения скважин. 
 
 
©  Нескоромных В.В., 2008  
© Сибирский федеральный 
университет, 2012 

ВВЕДЕНИЕ 
 
  Дисциплина 
«Разрушение 
горных 
пород 
при 
проведении 
геологоразведочных работ» является базовой при изучении профилирующих 
дисциплин по специальности, а её изучение основывается на знании законов 
общей физики, физики твердого тела, теоретической механики, сопротивления 
материалов и математики. 
Курс дисциплины включает информацию о: 
способах разрушения горных пород; 
свойствах горных пород, определяющих их прочность и буримость; 
механике разрушения горных пород; 
процессах 
разрушения 
горных 
пород 
различными 
породоразрушающими инструментами и методах интенсификации разрушения 
под воздействием различных технологических факторов; 
процессах удаления продуктов разрушения горных пород из 
скважины. 
Процесс разрушения горных пород при  бурении – разрушение горных 
пород на забое скважины или шпура вследствие механического или 
физико-химического воздействия на породу, производимого с целью 
формирования 
поля 
механических 
напряжений, 
достаточных 
для 
нарушения сплошности определенного объема (слоя) горного массива или 
преобразование 
породы 
в 
расплав, 
 
пар, 
раствор 
и 
удаление 
образовавшихся продуктов разрушения, растворения или плавления с 
забоя скважины на поверхность или в скважинное пространство.  
Рациональное соотношение операций породоразрушающего воздействия 
на породу и удаления продуктов разрушения с забоя из-под торца бурового 
инструмента 
является 
важным 
аспектом, 
определяющим 
минимальную 
энергоемкость и, соответственно, эффективность  бурового процесса. 
Энергоемкость 
процесса 
разрушения 
горных 
пород 
на 
забое 
скважины  – показатель эффективности процесса разрушения горных 
пород, определяемый как отношение затраченной на разрушение породы 
энергии к  интервалу углубки (объему разрушенной породы) за 
определенный отрезок времени. 
В данном случае важно подчеркнуть, что процесс разрушения породы при 
бурении – два взаимосвязанных явления: собственно нарушение целостности 
породы 
породоразрушающим 
действием 
и 
удаление, 
по 
возможности 
мгновенное, 
полученных 
продуктов 
разрушения 
из 
зоны 
работы 
породоразрушающих элементов инструмента. Эти два взаимосвязанных явления 
объединены в понятии буримость. 
Буримость – сопротивляемость горной породы разрушению  буровым 
инструментом, задаваемая совокупностью прочностных и абразивных 
свойств горной породы, способом и интенсивностью породоразрушающего 
действия, конструктивными параметрами и техническим состоянием 
бурового инструмента, а также способом и параметрами процесса удаления

продуктов разрушения из зоны породоразрушающего действия бурового 
инструмента. 
Количественно буримость можно оценить механической скоростью 
бурения.  
В начале ХХI века способы механического разрушения горных пород по- 
прежнему обеспечивают основной объем буровых и горнопроходческих работ, 
именно поэтому в учебном пособии основное внимание уделено механическому 
разрушению горных пород под воздействием поля механических напряжений. 
Следует отметить, что резервы механических способов бурения в 
настоящее время далеко не исчерпаны. В связи с появлением новых 
сверхтвердых материалов, технологий их обработки, упрочнения металлов и 
сплавов, новых конструкций бурового инструмента, мощных и надежных 
забойных приводов, забойных машин ударного и ударно-вращательного 
действия, 
новых 
конструкций 
буровых 
станков 
непрерывно 
растет 
производительность бурения. 
В то же время получают развитие и новые перспективные способы 
бурения, основывающиеся на физико-химических воздействиях на горную 
породу, например, бурение плавлением пород и лазером. 
Бурение лазером – бурение скважин лазером (англ.  laser, составленное 
из первых букв выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - 
усиление света с помощью индуцированного излучения) - прибор, в котором 
осуществляется 
генерация 
монохроматических 
электромагнитных 
волн 
оптического диапазона вследствие индуцированного излучения (излучение 
электромагнитных волн частицами вещества - атомами, молекулами и др. под 
действием внешнего электромагнитного излучения).    
Лазер используется для экспериментального бурения.  
1997 г. В США, в Gas Technology Institute начат проект лазерного бурения. 
В проекте участвуют Арагонская национальная лаборатория Министерства 
Энергетики США и Горная школа Колорадо.  Для экспериментов предоставлены 
два армейских лазера MIRACL и COIL.  Оба лазера работают в инфракрасном 
диапазоне, потребляют мощность до 1 МВт. Параметры лазера: длина волны – 
1,06 мкм, средняя мощность – 1,6 кВт, максимальная пиковая мощность – 32 кВт, 
длительность импульса – 0,1-10 мс, частота повторения 25-800 имп/с, 
максимальная энергия 100 Дж/ имп. 
Установлено, что режим работы лазера существенно влияет на разрушение 
породы – длинные импульсы с высокой частотой повторения приводят к 
плавлению породы, короткие импульсы с малой частотой к её растрескиванию.  
2001 г. Министерство Энергетики США объявило о продолжении работ по 
бурению лазером. Предполагается, что энергия от лазера будет доставляться на 
забой с помощью пучка волоконно-оптических линий.  
Считается, что скорость бурения может возрасти в 10-100 раз в сравнении 
с 
достигаемой 
механическим 
разрушением, 
что 
обещает 
мощный 
технологический прорыв в бурении. 
Развитию этих перспективных способов способствуют совершенствование 
и модернизация буровых агрегатов, повышение их энерговооруженности, 
создание неразъемных бурильных колонн – колтюбинга. 
Колтюбинг – (анг. coiled tubing – катушка труба) – бурение скважин с 
использованием стальной длинномерной безмуфтовой гибкой трубы, навиваемой 
на катушку-барабан, взамен традиционной разъемной бурильной колонны. 

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ РАЗРУШЕНИЯ  
И СВОЙСТВАХ ГОРНЫХ ПОРОД 
 
1.1.Способы разрушения горных пород 
 
Известные методы разрушения горных пород, представленные в табл. 1.1, 
основываются на классификации проф. С.С. Сулакшина [33]. 
Таблица 1.1 
Методы и процессы разрушения горных пород 
Метод разрушения горных 
пород 
 
Процесс разрушения 
 
Механизм разрушения 
 

I. Физико-механическое 
воздействие на породу 
1.Смятие 
2.Раздавливание 
3.Дробление 
4.Скалывание 
5.Отрыв 
6.Резание 
7.Истирание 
8.Шелушение 
9.Растрескивание 
10.Раскалывание 

Механическое 
нарушение 
связей между элементами, 
слагающими 
породу, 
без 
изменения состава и свойств 
веществ, слагающих породу 

II. Физико-химическое 
воздействие на породу 
1.Плавление 
2.Испарение 
3.Горение 
4.Растворение 

Нарушение связей между 
элементами, 
слагающими 
породу, 
с 
изменением 
агрегатного 
состояния, 
состава и свойств вещества 

III. Физико-механическое и 
химическое воздействие на 
породу 

1. Механическое разрушение 
и адсорбционное понижение 
твердости 
2. Механическое разрушение 
и интенсификация адсорбционного понижения твердости воздействием ультразвука, магнитными и иными 
полями 
3. Механическое разрушение 
и 
размягчение 
породы 
нагреванием 

Механическое 
нарушение 
связей между элементами,  
слагающими 
породу, 
с 
некоторым 
изменением 
свойств вещества 

 
Большинство способов бурения основано на механическом разделении 
некоторого объема породы (призабойного слоя) на частицы небольшого 
размера. Разделение объема породы происходит под воздействием поля   
механических    напряжений, создаваемых в  отдельных точках забоя, в которых   
напряжения достигают критических, с точки зрения прочности горных пород, 
значений.         
При механическом разрушении напряжения в определенных зонах забоя 
превышают 
сопротивление 
внутренних 
связей 
в 
горной 
породе. 

Концентрированные напряжения возникают под воздействием внешних сил, 
появление которых связано с силовым воздействием со стороны буровых 
инструментов, оснащенных породоразрушающими элементами, твердость 
которых существенно выше твердости горных пород.  
В результате взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем 
в горной породе под торцом инструмента формируется поле механических 
напряжений как результат объемно-геометрического суммирования напряжений 
от действия отдельных сил со стороны каждого породоразрушающего элемента.  
Напряжения в горной породе могут возникать и без использования 
специальных породоразрушающих инструментов, вследствие напора струи 
жидкости, при действии взрывной волны или расширяющихся при взрыве газов, 
гидравлического удара. 
Разрушение может происходить в результате действия внутренних сил, 
возникающих под влиянием градиента температуры породы, задаваемого струей 
раскаленных газов, электрическим полем или электромагнитным излучением 
оптического диапазона малой частоты, вызванного лазером и др.  
При термическом воздействии на горную породу происходит ее плавление 
с выделением газа.  
Растворению водой подвержены соли.  
Из некоторых руд, например, золота, урана, меди, молибдена металлы 
извлекаются выщелачиванием, путем взаимодействия  с кислотами, щелочами 
или растворами солей. 
Для бурения известно также использование комбинированных способов 
разрушения 
горных 
пород, 
например, 
термомеханического, 
когда 
породоразрушающий 
инструмент 
для 
бурения 
механическим 
способом 
нагревается до температуры, достаточной для пластического размягчения 
горной породы в призабойном слое. В данном случае интенсификация процесса 
разрушения достигается за счет наложения полей механических напряжений и 
температурного поля. Нагрев породоразрушающего инструмента производится 
за счет подачи электроэнергии, нагрева паром или различными горелками.  
Предварительные исследования показали, что скорость бурения может 
возрасти от 2 до 100 раз, в сравнении с механическим бурением, без какой либо 
значительной зависимости от степени износа резца. 
 
1.2. Общие сведения о горных породах 
 
По 
происхождению 
горные 
породы 
разделяются 
на 
осадочные, 
магматические и метаморфизованные.  
Основные нефтяные и газовые месторождения сложены осадочными и 
измененными породами, такими как глины, песчаники, каменные соли, гипсы, 
доломиты, мергели, известняки, галечники, алевролиты и др.  
Часть 
этих 
пород 
являются 
водо-, 
газо- 
и 
нефтенасыщенными 
коллекторами. Чаще всего коллекторами являются пористые песчаники, 
галечники или другие трещиноватые горные породы.  

Более 
разнообразны 
геологические 
условия 
различных 
рудных 
месторождений. 
В 
данном 
случае 
более 
сложны, 
многочисленны 
и 
индивидуальны условия залегания, номенклатура и физико-механические 
свойства горных пород. 
Для горных пород характерна неоднородность состава, распределения 
минеральных зерен, пористости и трещиноватости, плотности и механических 
свойств. 
Горные породы состоят из минеральных зерен, которые, в свою очередь, 
из кристаллов, составляющих «каркас» и структуру минерала, определяющие 
его деформируемость и прочность. Разновидность минералов, количественное 
их соотношение и структура распределения в породе определяют вид горной 
породы. Физическое и прочностное состояние горной породы будет зависеть 
еще и от её разупрочнения, которое чаще всего определено наличием трещин и 
жидкости в них. Трещины в породе, как правило, развиваются по плоскостям 
контакта минеральных зерен. 
Кристалл - твердое тело, в котором материальные частицы (атомы, ионы 
или молекулы) располагаются закономерно наподобие узлов пространственных 
решеток.  
Правильная упорядоченная геометрически форма кристаллов обусловлена 
внутренним атомным строением.  
Кристаллы сохраняют свою форму в основном за счет электростатических 
сил взаимодействия между элементарными частицами. Например, может 
проявляться ионная связь, причем ионов различного заряда. Прочность (Р) 
ионной связи определяется расстоянием (L) и величиной заряда (А): 

L
A
P =
 .                                                           (1.1)              

Ионные решетки присущи неорганическим соединениям (силикаты, 
галогены 
и 
др.). 
Классическим 
примером 
ионной 
решетки 
является 
пространственная решетка кристаллов каменной соли, в узлах которой 
находятся положительные ионы Na+ и отрицательные ионы Cl – . 
У атомных решеток в узлах находятся нейтральные атомы. Примером 
атомной решетки может быть кристалл 
алмаза. 
Молекулярные 
решетки 
строятся 
таким образом, что в узлах располагаются 
молекулы. Такие решетки характерны 
главным 
образом 
для 
органических 
соединений и достаточно слабы. 
В природе встречаются часто и 
смешанные 
решетки 
– 
ионномолекулярные. 
Такие 
кристаллы 
отличаются 
тем, 
что 
в 
одном 
слое 

С 

а 

Рис. 1.1.  Структура графита 
(а = 2,46 Å, С = 3,41 Å) 

(плоскости) может быть ионная связь, а между слоями молекулярная. Такие 
кристаллы, например, глинистый минерал монтмориллонит, легко разрушаются 
по плоскостям. 
Слоистые 
кристаллы 
возможны 
и 
при 
однородной связи. Например, графит (рис.1.1) 
имеет слоистое строение и легко делится на 
чешуйки, что объясняется ослаблением связи между 
слоями вследствие  бòльшего расстояния (С) между 
атомами углерода по сравнению с расстоянием 
между 
атомами, 
образующими 
кристалл 
в 
плоскости чешуйки (а). 
Кристаллическая структура алмаза (рис.1.2) 
относится к кубической решетке, в которой атомы 
углерода размещены в вершинах элементарной 
кубической ячейки и в центрах её граней. От 
обычной кубической решетки структура алмаза отличается наличием четырех 
атомов углерода, размещенных в центрах четырех из восьми маленьких кубов 
элементарного куба. Вследствие этого каждый атом углерода в решетке очень 
прочно связан с четырьмя соседними размещенными атомами. Именно поэтому 
алмаз имеет очень высокую твердость, которая в тысячи раз выше твердости 
любого известного минерала. 
При одинаковости состава структура алмаза определяет значительную 
разницу в свойствах алмаза и графита. В табл. 1.2 приведены некоторые 
характеристики свойств графита и алмаза. 
                                                                                                      Таблица 1.2 
Свойство 
Графит 
Алмаз 

Плотность, г/ cм3 

Прочность при растяжении, МПа 
Твердость по шкале Мооса 
Модуль упругости, кПа 

2,25 
3,5÷17  
0,15 
0,5 ×107 

3,5 
1800 
10 
113 ×107 

 

 
На прочность связи в кристаллах большое влияние оказывает вода. 
Молекулы воды ослабляют внутренние связи, понижая прочность. 
Кристаллы обладают такими свойствами, как анизотропия, спайность 
(способность раскалываться по плоскостям) и наличие естественных дефектов. 
По строению горные породы бывают кристаллическими (из осадочных 
соль, а в основном это породы магматического происхождения), аморфными 
(магматические - обсидиан, кремень), обломочными (продукты разрушения 
различных пород). 
Структура породы - особенности строения горных пород, связанные с 
размерами и формой минералов.  
По величине кристаллов (к) структура горных пород может быть: 
крупнокристаллическая  (к > 1,0 мм) - различимы глазом; 
среднекристаллическая  (к = 0,1-1,0 мм) - различимы лупой; 

а 

Рис. 1.2. Структура алмаза,  
a = 1,54 Å 

скрытокристаллическая (к = 0,01-0,1 мм) - различимы в микроскоп; 
полиморфная  (к < 0,01 мм) - различимы в микроскоп. 
По отношению размеров кристаллов горные породы могут быть 
равномернозернистые, разнозернистые и порфировые (крупные кристаллы на 
фоне мелких). 
С увеличением размеров зерен  прочность равномерно-зернистых пород 
снижается.  
Это связано с тем, что, как установлено П.А.Ребиндером, чем меньше 
частицы, 
слагающие 
твердое 
тело, 
например, 
породу, 
тем 
меньше 
микротрещиноватость и другие нарушения, которые являются основной 
причиной разрушения твердого тела.  Изменение размеров зерен от 1 до 100 мкм 
снижает прочность пород почти в 2 раза [26]. 
Обломочные породы по структуре бывают брекчиями и конгломератами. 
Осадочные породы бывают рыхлыми и сцементированными, например, 
пески и песчаники. Песчаники отличаются как по составу зерен песка и их 
размеру, так и по составу связки. Данные особенности существенно влияют на 
абразивные и прочностные характеристики породы. Например, песчаник из 
кварцевого песка, не являясь прочным, чрезвычайно абразивен, что относит его 
к труднобуримым горным породам. 
Текстура породы (лат. textura – ткань, строение) – характеристика 
степени и особенностей неоднородности горных пород, проявляющейся в 
форме, взаимном расположении и ориентировке минеральных зерен 
(слоистость, сланцеватость, полосчатость, флюидальность, пористость). 
Слоистость горных пород связана с особенностями осадконакопления и 
возникает за счет изменения размеров зерен одинакового состава в 
вертикальном направлении, чередовании зерен различного состава. 
Сланцеватость возникает при деформировании породы в направлении 
действия одностороннего горного давления. 
Полосчатость связана с определенной ориентировкой минеральных зерен в 
породе,  вызванная действием горного давления и температур. 
Слоистость, сланцеватость, полосчатость, флюидальность, определенная 
ориентировка минералов в породе, а также ориентированная пористость задают 
анизотропию механических свойств горных пород. 
Анизотропия горных пород – (греч. – anios неравный + tropos свойство) - 
неодинаковость 
физических 
свойств 
(теплопроводность, 
скорость 
прохождения упругих волн, а также твердость и буримость) горных пород 
(иных твердых тел) по различным направлениям внутри этого тела. 
Анизотропия механических свойств горных пород проявляется в том, что 
способность 
к 
механическому 
разрушению, 
например, 
буримость 
у 
анизотропных пород будет различной в зависимости от направления 
приложения разрушающего усилия (направления бурения). Различие в 
буримости анизотропной горной породы в различных направлениях может быть 
очень значительной (до 2 и более раз). 
 

Например, слоистость, включающая более и менее прочные слои горных 
пород оказывает существенное влияние на их агрегатную прочность. Например, 
при растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки 
и увеличивают общую сопротивляемость породы  (табл.1.3) [26]. 
Таблица 1.3 
Анизотропия пределов прочности при растяжении горных пород Донбасса  
 
Порода 
Предел прочности на растяжение 

вдоль слоев, МПа 
перпендикулярно слоям, МПа

Аргиллит 
Алевролит 
Песчаник 

2,9 
2,9 
3,5 

0,9 
1,1 
1,8 

 
В слоистых горных породах наблюдаются различные значения модулей 
упругости параллельно слоям и перпендикулярно им: вдоль слоев модуль 
упругости больше, чем перпендикулярно к ним, что предопределено большей 
деформируемостью 
пород 
перпендикулярно 
слоям 
из-за 
повышенной 
сжимаемости более мягких слоев. 
Для анизотропных пород характерно различие скоростей прохождения 
упругих волн вдоль слоев и поперек им.  
Анизотропия теплопроводности при бурении слоистых горных пород 
плавлением или термомеханическим способом бурения будет приводить к тому, 
что нагрев породы активнее происходит в направлении слоев, что окажет 
влияние на процессы формирования ствола скважины [21]. 
Таким образом, с точки зрения физического объекта,  горная порода – 
неоднородная (гетерогенная – от греч. heterogenes –  разнородный) система, 
состоящая из различных по физическим свойствам, химическому составу и 
агрегатному состоянию частей (фаз), которые  взаимодействуют друг с 
другом по поверхностям раздела, при преодолении которых резко 
изменяется одно или несколько свойств (состав, плотность, упругость, 
теплопроводность, электрическая проницаемость и т.д.).  
Части или фазы, входящие в состав той или иной горной породы, можно 
разделить на мономинеральные кристаллы, связанные между собой другим 
минералом или несколькими минералами. При этом механические свойства 
кристаллов и минералов, из них состоящих и входящих в состав породы, часто 
резко различны. Прочностные и деформационные характеристики горной 
породы в зависимости от вида нагрузки определяются характеристиками 
входящих в породу компонент и прочностью связей между ними. 
Между компонентами горной породы действуют следующие силы [8]: 
- силы связи химической природы (силы электрического взаимодействия 
между атомами - ионные и ковалентные связи); 
- молекулярные; 
- электростатические; 
- капиллярные; 
- магнитные.