Файл: Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород учеб. пособие.pdf

Передача энергии при ударе поршня по инструменту происходит в виде импульса, длительность, форма и амплитуда которого зависят от параметров и формы соударяющихся элементов.

Эксперименты показывают, что в зависимости от геометрических соотношений ударника форма генерируемого в долоте импульса су­ щественно изменяется (рис. 146). Предельные генерируемые в долоте импульсы имеют сглаженную треугольную или прямоугольную форму.

Расчеты показывают, что применение ударников, генерирующих в инструменте вытянутые импульсы, по форме близкие к прямо­ угольным, позволяет увеличить стойкость инструмента (так как мак­ симальные напряжения уменьшаются в ]/3 раза) и на 50—70% по­ высить скорость бурения.

Є

Рис.. 146. Осциллограммы импульсов, генерируемые цилиндрическими ударни­ кам и

а — при увеличении длины и массы ударника постоянного диаметра; б — при увеличении диаметра и массы постоянной длины; в — при уменьшении диаметра и увеличении длины

ударника постоянной массы

При бурении погружными пневмоударниками длина инструмента (долота) и поршня-ударника обычно не превышает 500 мм.

При указанных геометрических параметрах ударника импульс, генерируемый в долоте, имеет длительность порядка 200 мкс. За это время инструмент внедряется на очень незначительную глубину. В процессе дальнейшего внедрения в течение 0,5—1 мс происходят многократные отражения импульса в долоте и используется значи­ тельная доля энергии волны, генерируемой посредством удара поршня. При максимальной частоте ударов (3000 в минуту) время между двумя смежными ударами составляет 20 000 мкс. Поэтому волна напряжений от предыдущего удара практически не влияет на характер передачи энергии при последующем ударе. При генериро­ вании в долоте треугольного импульса около 40% энергии не ис­ пользуется на разрушение, в то время как при прямоугольном им­ пульсе потери энергии составляют не более 1% .

Однако получение в долоте прямоугольного импульса возможно только в том случае, когда соударяющиеся поверхности бойка и до­ лота абсолютно плоские. Применять такие поверхности при ударном взаимодействии нельзя, так как при малейшем перекосе, чего тех­ нически избежать невозможно, произойдет несоосныйудар, при кото­ ром в инструменте и ударнике возникают значительные напряжения

и деформации, приводящие к разрушению инструмента. Для наи­

д л и н о й , р а в н о й у д в о е н н о й д л и н е д о л о т а . П р и э т о м д о л ж н а б ы т ь и с к л ю ч е н а в о з м о ж н о с т ь в о з н и к н о в е н и я н е с о о с н ы х у д а р о в .

§ 68. Закономерности разрушения горных пород

при бурении перфораторами и погружными пневмоударниками

Рассмотрим общие зависимости эффекта разрушения от энергии единичного удара, скорости приложения нагрузки и частоты ударов, а затем влияние режимов бурения (осевого давления, давления сжа­ того воздуха, скорости вращения) и параметров инструмента (диа­ метра, угла приострения и др.) на эффективность бурения.

Влияние энергии единичного удара. Энергия удара может быть увеличена путем увеличения скорости удара или массы ударника.

/ 1

С увеличением скорости удара свыше 8 м/с резко возрастают кон­ тактные напряжения в соударяющихся элементах, вследствие чего снижается их стойкость.

В определенных пределах при постоянной скорости приложения нагрузки с увеличением энергии единичного удара объем разрушен­ ной за один удар породы увеличивается (рис. 147), а энергоемкость быстро снижается, оставаясь затем постоянной в достаточно большом диапазоне изменения энергии. Опытами О. Д. Алимова установлен примерно пропорциональный прирост объема разрушения с увели­ чением энергии удара. Поэтому увеличение энергии единичного удара даже за счет снижения частоты ударов является наилучшим способом увеличения эффективности бурения. Предел увеличения

энергии удара определяется особенностями буровых машин и стой­ костью соударяющихся элементов.

С увеличением энергии единичного удара влияние геометрии ра­ бочего инструмента и свойств пород на показатели разрушения умень­ шается. Это объясняется тем, что при большой энергии удара зона разрушения увеличивается и имеет полусферическую форму неза­ висимо от формы поверхности контакта инструмента с породой.

Влияние скорости приложения нагрузки. Анализ изменения глу­ бины погружения инструмента за удар при постоянной энергии еди­

С увеличением скорости приложения нагрузки уменьшается,

азатем исчезает зона пластических деформаций пород (см. рис. 131),

апрочностные характеристики пород, влияющие на разрушение, увеличиваются (рис. 148).

Эксперименты показывают, что до скоростей нагружения 6— 8 м/с прочностные характеристики горных пород изменяются незна­

из-за чрезмерных контактных напряжений в месте соударения ин­ струмент быстро выходит из строя. Поэтому при создании долговеч­ ных надежных машин в настоящее время имеется тенденция ограни­ чивать скорость движения бойка при ударе 6—7 м/с.

Влияние частоты ударов. Установлено, что при бурении недоста­ ток энергии отдельных ударов не может быть компенсирован их числом. Необходимо прежде всего увеличивать энергию единичного

удара до пределов, определяемых прочностью бурового инструмента* Только после этого целесообразно увеличивать частоту ударов.

недопустимо высокие шумы.

Зависимость скорости бурения от осевого давления. У перфорато­ ров с зависимым вращением (рис. 149, а) с увеличением осевого давления улучшаются условия передачи удара поршня породе и уве­ личиваются сила трения лезвия о забой и необходимый крутящий момент. До некоторого значения осевого давления скорость бурения

а

30

^ИР-ЗОЛ

I

20 І0М-50ВІ

Рис. 149. Зависимость скорости бурения от осевого давления

возрастает, а затем начинает резко падать и бурение прекращается, так как поршень не может обеспечить необходимого крутящего мо­ мента для поворота инструмента и останавливается в цилиндре. Для буровых машин, развивающих различные крутящие моменты, оптимальное осевое давление, при котором они обеспечивают максималь­ ные скорости бурения, будет различным. Во всех случаях необхо­ димо стремиться к работе при оптимальном значении осевого давле­ ния, которое приближенно может быть вычислено по формуле

При работе машин с независимым вращением при увеличений осевого давления скорость бурения возрастает, при этом ударновращательный режим переходит во вращательно-ударный. Однако вследствие высокого абразивного износа долот, недостаточного