Скорость бурения в большей степени зависит от агрегатной твердости горной породы. Например, слабо сцементированный песчаник не является твердой породой и разрушается буровой коронкой сравнительно легко, несмотря на высокую твердость его основного породообразующего минерала - кварцевых зерен.
Наиболее просто твердость минералов определяется по шкале Мооса, по которой в качестве эталонов твердости выбрано десять минералов, отличащихся тем, что каждый последующий минерал царапает предыдущий, более мягкий. По шкале Мооса алмаз имеет наивысшую склеротическую твердость, равную 10. Сопоставление данной шкалы со шкалой твердости вдавливания по Кнупу показывает, что шкала Мооса не является линейной. Шкала Кнупа обеспечивает лучшее сопоставление твердости. По этой шкале твердость алмаза лежит в пределах 8000-8500 ед. Кнупа, что в четыре раза выше корунда (1700-2000 ед.) и в три раза выше твердого сплава (табл. 5.4).
Таблица 5.4. Сравнительная твердость различных минералов и материалов (по шкалам Мооса и Кнупа)
| Название минералов (материалов) | Твердость горных пород | |
| по шкале Мооса | по шкале Кнупа | |
| Тальк | 1 | 12 |
| Гипс | 2 | 32 |
| Известковый шпат | 3 | 135 |
| Плавиковый шпат | 4 | 160 |
| Апатит | 5 | 400 |
| Стекло | 6 | 500 |
| Кварц | 7 | 1250 |
| Топаз | 8 | 1550 |
| Корунд | 9 | 1900 |
| Карбид вольфрама | 9,5 | 2800 |
| Алмаз | 10 | 8300 |
Для измерения твердости
горной породы
используются также другие методы, в частности вдавливание специального пуансона
(метод, разработанный Л. А. Шрейнером). Твердость породы по этому методу
определяется по нагрузке на пуансон в момент ее разрушения. Количественно
твердость по штампу определяется отношением разрушающей силы к площади штампа.
Во время нагружения штампа (пуансона) при определении твердости породы
самопишущий прибор регистрирует нагрузку и вычерчивает диаграмму деформации. По
диаграмме определяют твердость рш, условный предел
текучести δт, коэффициент пластичности
Кпл и удельную контактную работу разрушения
As.
Данные о механических свойствах некоторых
горных пород, определенных по методу Л. А. Шрейнера, приведены в табл.
5.5.
Сопротивление породы разрушению зависит от характера нагрузки на буровой
инструмент, внедряющийся в нее. При динамической (ударной) нагрузке
сопротивление породы внедрению резца много ниже, чем при статическом
давлении.
Таблица 5.5. Механические свойства некоторых горных пород (данные Л. А. Шрейнера и др.)
| Горная порода | Твердость рш· 107Па | Условный предел текучести, δт · 107Па , | Коэффициент пластичности, Кпл | Модуль упругости первого рода (модуль Юнга) , Е · 1010Па | Удельная контактная работа разрушения As · 105Дж/м2 |
| Гипс | 25-40 | 15-35 | 1,8-3,7 | 0,6-1,4 | 0,2-0,5 |
| Аргиллит и глинистые сланцы | 20-75 | 15-40 | 1.3-3,3 | 0,5-0,9 | 0,3-0,4 |
| Алевролит с карбонатным базальным цементом | |||||
| 70-90 | 40-50 | 2,2-3,3 | 0,4-1,2 | 0,8-1,3 | |
| Мрамор | 95-130 | 65-70 | 2,2-3,0 | 3,5 | 1,3 |
| Ангидрит | 105-140 | 40-95 | 2,1-4,3 | 1,8-5,4 | 0,5-1,2 |
| Известняк плотный | 110-200 | 50-110 | 1,7-2,8 | 2-5 | 0,7-2,8 |
| Песчаник среднезернистый | |||||
| с карбонатным цементом | 170-300 | 140-210 | 1,7-2,8 | 1,8-2,5 | 2,2-2,8 |
| Доломит плотный | 250-320 | 150-220 | 2,5-4,5 | 5-8 | 1,7-3,4 |
| Гранит (уральский) | 300-370 | 220-300 | 1,4-1,9 | 4,1-5 | 2 |
| Базальт | 390 | 140 | 4,2 | 3,3 | 16,9 |
| Диорит кварцевый (Урал) . | 410 | 340 | 1,4 | 4,5 | 2,5 |
| Сиенит (Урал) | 570 | 480 | 2,2 | 8,8 | 14,6 |
| Диабаз (Кольский п-ов) | 630 | 500 | 1,5 | 10 | 5,1 |
| Кварцит (Караганда) | 580-630 | - | 1,0 | 6,9-7,3 | 4-6 |
| Роговик эгириновый (Кривой Рог) | 800 | 580 | 2,5 | 10 | 8,5 |
| Джеспилит (КМА) | 810 | - | 1,0 | 10 | 3,6 |
