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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 161

Скачиваний: 5

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Пусть общее число зубков долота равно z, а соотношение между его радиусом и радиусом шарошек таково, что при одном вращении долота шарошки делают т вращений *. Число зубков на каждой шарошке z/З. Таким образом, за одно вращение происходит mz внедрений. Максимальная сила, действующая на зубок, будет

 

Р

— Р

К

Р

 

г

imax— r o c u

шэтах,

где | т а х

— максимальное значение

\.

Для

реальных режимов

бурения

максимальная скорость внедре­

ния зубка не более 1 м/с. При этом сила сопротивления породы внед­ рению будет

 

 

 

/'сопр=5 я Л(1 + /8ІПЯР),

 

(ХШ.З)

h — глубина

внедрения;

 

 

 

 

/ — коэффициент трения

скольжения;

 

 

Р — угол килеватости;

 

 

 

 

 

 

В я

= С і й 1 а с ж ( 1 - 2 Є с к )

{^f-)UL;

 

сг

— коэффициент,

зависящий

от произведения а 2

{Е]асж)11з;

а х

— известная функция

угла

килеватости;

 

 

Е — модуль

Юнга;

 

 

 

 

 

6С К

= arcsin ^1 — і / " — - j

— полярный угол

трения,

определяющий

зону скола;

L— длина лезвия;

°сж ~ предел прочности породы на сжатие, кгс/см2 .

Максимальная глубина внедрения

Ь

^lmax

-Рос-^шітах

/ v т T Т / \

П т а х ~

Fconp ~

5 2 ( 1 + /8ІпяР) •

КАІЧА)

Учтя зависимость коэффициента В2

от механических характери­

стик горных пород,

найдем

 

h =

0,678

 

 

atfdi (1 - 2 Є С к )

1(1 +f sinnP)

При динамическом внедрении инструмента в формэ клина в гор­ ную породу образуется зона объемного разрушения, по форме близ­

кая к дуге круга.

 

 

 

 

г2 определяют

Радиусы зоны дробления г2 и зоны

 

скалывания

по формулам:

 

/Aft

у/» /

Е XV»

 

 

 

 

г

= П R78 ^ос^шітах

\ ft

/

\

0"сж /

,

'!

и , и ' ° С11осж

' ( l - 2 9 c K ) ( l + / s m n p ) '

 

 

 

0"сж

 

 

 

 

 

 

Ср ас

 

1

 

 

* Здесь рассматривается трехшарошечное долото. Однако изложенное относится и к долотам с любым числом шарошек .

Таким образом, объем зоны разрушения при единичном внедрении будет

 

УРаі

= г>і[і

+ У ^ (

і -

У

^ У

] .

(ХІІІ.5)

Величина

среднего углубления

долота

за

одно

вращение

 

 

 

 

 

 

h

— mzVpaa

 

 

 

 

где R — радиус

долота.

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость

бурения

определяется

по формуле

 

 

„

-

h

-

-

m z W l

р1сКш1твх

 

I

Е

\*/.

 

 

v6

- псрп

 

- Щ 1 а 1 п с 1

 

5 £

 

ис ж )

Х

 

 

 

 

 

^_ _|_

°Уас

Л

І /

0"рас

 

 

 

 

 

 

ч/

2

Г

а С ж

\

Г

°"сж /

/"Y-TTт

 

 

 

 

Х

 

(1 + 2 Є С к ) ( 1 + р з і п п 6 ) 2

 

•

( Л І І І . О ;

где п — скорость вращения долота, об/с.

Выведенная формула показывает, что скорость бурения шаро­

шечным долотом зависит от свойств породы (сгс ж ,

о р а с ,

Е, 0С К , а ъ /)

параметров вооружения шарошек и долота (т, z,

I, R,

(5), условий

взаимодействия долота с породой (Кш, £ т а х ) и

режимов бурения

( Р о с , П).

Многообразие влияющих факторов объясняет сложность рассма­ триваемого процесса.

Сложность теоретических расчетов приводит к необходимости на практике пользоваться опытными данными, на основе которых устанавливаются*интересующие зависимости и параметры бурения.

§ 77. Зависимость скорости бурения от режимов отработки долота

Под режимами отработки долота понимают величины осевого да­ вления, скорость вращения и количество воздуха, подаваемого в за­ бой для очистки скважины. В зависимости от режимов бурения ме­ няются скорость, производительность и стоимость бурения скважин.

Влияние осевого давления на скорость и эффективность бурения.

С увеличением осевого давления темп увеличения скорости бурения сначала быстрый, а затем постепенно уменьшается (рис. 173).

Рекомендуется бурить при

Рсс ~ ^татРеж,

ґде Smax — максимальная площадь контакта долота с породой, см2 . С ухудшением условий удаления продуктов разрушения скорость бурения и критическое осевое давление Ркр снижаются (см. рис. 173). Существование критической нагрузки объясняется условиями, когда зубки шарошечного долота полностью внедряются в породу или дальнейшему увеличению внедрения препятствуют продукты раз­

рушения.

Эксперименты, выполненные в производственных условиях на карьерах с удалением продуктов разрушения сжатым воздухом, не фиксируют критического значения осевых давлений (рис. 174).

П'50-60of/мин

12

I

1

/

 

If

ш

8

 

 

 

 

•*s.

 

/

/

/

* •*

6

 

У

у

 

 

Осевое давление, кгс/см^

О

Же/см

Рис.

173.

Общие

зависимости ско­

Рис.

174. Экспериментальные зависи­

рости бурения от осевого давления:

мости

скорости бурения от осевого дав­

/ — поверхностное истирание; / / и III —

 

ления

усталостное и объемное разрушение; — пол­

 

 

ная

очистка

забоя;

неполная

 

 

 

 

очистка

забоя

 

 

Уменьшение интенсивности прироста скорости бурения в ряде слу­ чаев объясняется ухудшением очистки забоя скважины от продуктов разрушения.

а

д

&Р0С,

кгс/см

АР0С> кгс/см 1600 \

4-6 840 10-1Z 12-14 14-16 16-18f

\м,мс\с,ст\т,тк\ к,ок Типы долот

Рис . 175. Рекомендуемые удельные осевые давления и скорости вра­ щения долот

И. А. Остроушко рекомендует применять значения удельных осе­ вых давлений от. 400 до 1200 кгс/см в зависимости от типа буримых

пород (рис. 175, а). Примерно такие же величины удельных осевых давлений (рнс. 175, б) рекомендованы Б. А. Сямкнньш.

Рекомендуемые удельные давления для долот разного типа следу­ ющее (по данным ВНИИБТ), кгс/см:

М н МС . . . 200—600

С300—800 СТ 500—1000

Т

700-1000

ТК

800—1500

КиОК

. . . 900—2000

 

С

увелпчением^/диаметра

I

долота

допустимые удельные

восевые давления увеличива­ ются, так как прочность до­ лот растет быстрее, чем их диаметр.

 

 

 

 

 

I

Влияние

скорости

 

враще­

 

 

 

 

 

ния долота

на эффективность

 

._!

ЛА23^

 

бурения. Выполненные рядом

 

3t

авторов

(В. С. Федоровым,

 

 

 

 

 

Л. А. Шрейнером, В. Д. Бут-

 

 

 

 

I

 

кпным и другими)

исследова­

 

 

 

 

г

ния показывают, что с увели­

 

І — І —

 

 

 

 

чением

скорости

вращения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j;

•

M

долота 'эффективность

буре­

 

 

 

-TTT

 

ния, характеризуемая глуби­

 

 

 

 

ной

погружения

долота за

 

 

 

 

одно

вращение,

снижается.

 

 

 

 

Одни

исследователи

 

объяс­

 

а

 

по

т

ж

няют

это увеличением сопро­

Рве. 176. Зависимость

глубины погруже­

тивляемости разрушению гор­

ных

пород

при

увеличении

ния

долота за

одна

оборот в я весовой

скорости вращения (скорости

пропорции смеси

и от скорости вращения

приложения нагрузки). Дру­

при

бурении различных

пород

(Q —

 

=

10 м'/мян):

 

гие считают, что при больших

1 — ттщтг, г — перидотвд;

3 — звлсвшікавро- скоростях

вращения

время

явдмпнгыД изэесгаик; 4 — аздюяося; S — сершев-

контакта зубка долота с по­

 

 

 

 

 

 

родой

оказывается

недоста­

точным для протекания нормального

процесса разрушения.

Анализ

процесса разрушения породы при разных скоростях нагружения по­ казывает, что прочностные характеристики пород весьма незначи­ тельно изменяются при скоростях нагружения до 2 м/с, что соот­ ветствует л > 500 об/мин, т. е. значительно выше применяемых при бурении взрывных скважин.

Установлено, что скорость распространения деформации в породе равна скорости упругих волн, а скорость трещннообразования соста­ вляет ие менее 300 м/с. Поэтому для создания напряженного состоя­ ния под лезвием и развития трещин в зоне разрушения максимальным размером 5 мм необходимо 0,11 мс, т. е. значительно меньше, чем время контакта зубка с породой. Кроме того, при шарошечном буре­ нии происходит не качение зубков шарошек по абсолютно твер-

дому забою, а их внедрение в породу на определенную глубину. Данные, приведенные в работе Л. И. Барона и других авторов, показывают, что время контакта зубка в зависимости от глубины внед­ рения изменяется от 56 до 132 мс при изменении глубины внедрения от 0,36 до 2,38 мм. Эти цифры на порядок больше подсчитанных,

исходя из качения долота по забою без внедрения.

При бурении восходящих скважин, когда обеспечивается полное удаление продуктов разрушения с забоя, с увеличением скорости вращения до 250 об/мин не установлено снижения эффективности разрушения породы.

Из сказанного очевидно, что с увеличением скорости вращения долота не может, исходя из физических предпосылок, уменьшиться эффект разрушения.

Для бурения взрывных скважин рекомендуемые скорости враще­

ния с увеличением

крепости пород снижаются от 150—200 до 60—

80 об/мин (см. рис.

173) и определяются виброустойчивостью станка.

Влияние расхода воздуха и глубины скважины на эффективность бурения. Экспериментальными работами установлено, что увеличе­ ние в 2—3 раза расхода воздуха на продувку скважины (по сравне­ нию с применяемым) обеспечивает увеличение скорости шарошечного, бурения в 1,8—2 раза при неизменных Рос и п.

При бурении крепких пород (рис. 176) глубина погружения до­ лота б за одно вращение мало зависит от скорости вращения долота, а при бурении менее крепких пород (доломитов и серпентитов) умень­ шается с увеличением п. На рис. 176 показана также зависимость, отношения количества разрушаемой в единицу времени породы к мас­ совому расходу воздуха, подаваемого для очистки скважины при бу­ рении различных пород. В практике пневмотранспорта это отношение называют весовой пропорцией смеси.

Сопоставление зависимостей б = / (п) (сплошные линии на рис. 176) и ц. = / (и) (пунктирные линии) показывает, что при малых значениях весовой концентрации (р. < 2,5 -+ 3) глубина погружения долота за одно вращение не зависит от скорости вращения. Таким образом, при полном удалении продуктов разрушения с забоя эффект разрушения породы не зависит от скорости вращения. С увеличением глубины скважины скорость бурения снижается вследствие ухудше­ ния условий очистки забоя скважины и изменения свойств пород.

При применяемых в настоящее время режимах бурения долотами диаметром 214, 243 и 269 мм, рационально применять компрессоры производительностью соответственно 20, 25 и 30 м3 /мин. Давление воздуха, исходя из параметров продувочных каналов долот, должно быть в пределах 5—7 кгс/см2 . С увеличением скорости вращения и осевого давления на долото для обеспечения постоянства коэффи­ циента эффективности очистки забоя скважины от продуктов разру­ шения количество подаваемого в скважину воздуха для очистки забоя должно увеличиваться

? з = , п Q n , ,м 3 /кгс - об, (XIII. 7)

Смотрите также файлы