Файл: Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 150
Скачиваний: 5
где / = tg ф;
Ф — угол внутреннего трения.
Условие нормального разрушения породы на забое |
|
|
Poc^^ |
+ Ni + F^Ft. |
(XIV.4) |
Спроектировав эту систему |
сил на горизонтальную |
плоскость, |
найдем
N2 — Nx cos а - г F\ sin а = О,
или
N2 — Nx cos а - f Nx tg ф sin а = О,
из которой получим
N2 = Nx (cos а - tg ф sin а) = Nx с 0 8 с ( 0 " + ф ) . |
(XIV.5) |
Спроектировав систему сил на вертикальную плоскость, найдем
Рос— Fx cos a — F2 — N1 sin а — О,
или
Рос = Л^і tg ф cos а + N2 tg ф -j- Nx sin а. Окончательно получим
Подставив |
сюда |
значение N2 |
из (XIV,5), |
найдем |
|
|
|||||
|
|
р |
_ д г |
cos (сс+ф) i |
sin9 , _дг |
sin (а+ф) |
|
|
|||
откуда |
получим |
о с |
1 |
COS ф |
|
COS ф |
1 |
COS ф |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
P0^NX |
8 І |
П ^ + Ф 2 Ф ) > |
|
|
(XIV.6) |
|
где N1 |
= |
aBLk/cosa; |
|
|
|
|
|
|
|
||
L |
— длина |
лезвия, см. |
|
|
|
Nu получим |
|
||||
Подставив в уравнение (XIV.6) значение |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
o-B Msin(a+29 ) |
|
( Х 1 |
|
||
|
|
|
|
|
о с |
|
cos a cos2 ф |
|
' |
4 |
' |
откуда толщина разрушаемого |
слоя |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
h = K-Рос |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
oB L ' |
|
|
|
|
где
g___ cos a cos2 ф
~~ sin (a-f 2ф) '
Обычно принимают |
следующие |
значения коэффициентов трения |
|||
и углов внутреннего |
трения: |
|
|
|
|
/ . . |
. |
0,27 |
0,3 |
0,36 |
0,4 |
Ф. . |
. |
15 |
17 |
20 |
22 |
Скорость бурения найдем по формуле
v6 = hmn, |
(XIV.8) |
где т — число резцов;
п— скорость вращения, об/мин.
Вмягких породах резец производит разрушение забоя спираль ными слоями, при этом колебания усилий на лезвиях инструмента незначительны.
Механизм разрушения породы при вращательном бурении более крепких пород имеет характер периодического скола с резкими коле баниями усилий на лезвиях инструмента — от максимума до мини
мума (рис. 195). Это объяс няется тем, что элементарный цикл разрушения при враща тельном бурении состоит из двух периодов: формирование перед режущей гранью зоны объемного разрушения без существенного продвижения резца (при этом усилие и по требляемая мощность быстро увеличиваются до максиму ма); скол действием этой зоны элемента породы (при этом сопротивление породы и по требляемая мощность резко снижаются до минимума).
Резец проходит некоторый участок до встречи с нена рушенной породой, нанося при этом удар по породе. Сопротивление
движению резца снова быстро увеличивается до максимума и цикл разрушения повторяется. Если контактное давление на инструмент недостаточно из-за малого осевого давления или большой величины затупления режущих лезвий, то разрушение породы имеет характер усталостного и абразивного истирания.
§ 83. Закономерности и режимы вращательного бурения
Скорость вращательного бурения зависит от усилия подачи, ско рости вращения инструмента, его диаметра и геометрических пара метров, от свойств горных пород и режима удаления продуктов разрушения.
Качественная зависимость между скоростью бурения v6 и усилием подачи Рос описывается кривой, аналогичной показанной на рис. 173, имеющей четыре зоны: истирания 7, (рис. 196), переходную І7, объ емного разрушения 777 и падения интенсивности прироста скорости бурения IV.
Для различных по крепости горных пород характер зависимости v6 = / (.Рос) в зоне объемного разрушения остается одинаковым — линейным, изменяется лишь угол ее наклона к оси абсцисс.
Для определения максимально возможных скоростей бурения вращательным способом необходимо установить, до каких значений Рос сохраняется линейность
зависимости v6 = f (Рос). Наи большее влияние на нарушение этой линейности оказывают гео метрия резцов, их стойкость и интенсивность удаления породы с забоя.
Смятие задней гранью резца породы приводит к увеличению сил трения, что уменьшает ин тенсивность прироста скорости бурения. Максимальные вели чины усилия подачи, а следова тельно, и возможные скорости бурения, будут ограничиваться также прочностью бурового ин
струмента. При больших осевых усилиях при бурении в креп ких породах лезвие инструмента в месте контакта с породой выкраши вается и ломается. При меньшей крепости пород бурение на больших
1500
то
"кр |
|
0 |
Ц 8 |
12 |
16 |
|
Коэффициент крепости ^ |
||||
Скорость вращения, од/мин |
|
||||
|
|
|
|
|
|
Рис. 197. Зависимость скорости бурения |
Р и с . |
198. |
Зависимость |
оптималь |
|
от скорости вращения бура |
ной |
скорости вращения |
бура от |
||
|
|
крепости горных |
пород |
осевых усилиях осложняется неполным удалением продуктов разру
шения |
с забоя. |
|
При |
постоянном осевом давлении скорость |
бурения растет |
с увеличением скорости вращения инструмента. |
Установлено, что |
19* |
291 |
с увеличением п значительный рост скорости бурения наблюдается лишь до некоторого предельного значения скорости вращения пкр> после чего интенсивность роста скорости бурения значительно сни жается (рис. 197). С увеличением крепости пород значение га^ умень шается, а с увеличением Рос — несколько возрастает. Зависимость оптимальной скорости вращения от крепости горных пород для руч ных и колонковых электросверл приведена на рис. 198.
Установлено, что при бурении шпуров резцами с увеличением / от 2 (угли и мягкие глинистые сланцы) до 5-^-6 (известняки и песча нистые сланцы) удельные осевые давления на инструмент должны возрастать с 10 до 300 кгс/см, а скорости вращения снижаться с 800 до 120 об/мин. Уменьшение скорости вращения особенно важно при бурении абразивных пород. Алмазным инструментом шпуры бурят при скорости вращения 500—900 об/мин. Отдельные эксперименты при смазанных с наружной стороны штангах проведены при вращении алмазных резцов диаметром 36 мм со скоростью 6000—10 000 об/мин.
Осевое давление |
при этом составляет |
300—700 кгс. При вращатель |
|||||||
ном бурении резцами |
в подземных |
условиях |
скорости вращения |
||||||
составляют 30—120 об/мин, а осевые давления |
800—1200 кгс. |
|
|||||||
При бурении |
на |
карьерах |
скорость вращения |
меняется |
от |
||||
220 об/мин (проходка |
скважин |
в углях и очень мягких |
породах) |
||||||
до 120 об/мин. При этом на станках часто возникают |
вибрации, |
осо |
|||||||
бенно при работе в сильнотрещиноватых и перемежающихся |
по кре |
||||||||
пости |
породах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 84. |
Перспективы развития и применения вращательного |
бурения |
Вращательное бурение шпуров и скважин имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами бурения: лучшие санитарногигиенические условия труда бурильщика, простота эксплуатации, большая производительность в мягких породах и т. д.
Однако с увеличением крепости и абразивности горных пород резко возрастает износ инструмента, снижается скорость бурения (рис. 199) и вращательное бурение становится неэффективным.
При совершенствовании средств и способов вращательного буре ния внимание должно быть сосредоточено на следующих направле ниях.
1. Создание высокопрочного бурового инструмента на основе разработки новых, более износостойких марок твердого сплава, раз работки оптимальных геометрических параметров режущих лезвий и технологии пайки, исключающей появление остаточных напряже ний в резцах, и применение интенсивных способов охлаждения лез вий и эффективных способов удаления продуктов разрушения с за боя. Перспективны в этом отношении работы по созданию резцов торцового резания и резцов со сменными элементами. Существенное влияние на стойкость оказывает качественное восстановление буро вого инструмента: доводка резцов на алмазных кругах после заточки увеличивает их срок службы на 15—20%.
2. Создание компактных, маневренных, высоконадежных буровых машин, легких ручных электро-, пневмо- и гидросверл, особенно с принудительной подачей; создание легких поддерживающих и пода ющих приспособлений для механизации ручного труда, легких
колонковых сверл с плавноре- |
|
|
|
|
||||||
гулируемыми режимами |
бурения, |
|
|
|
|
|||||
установочно-подающего |
оборудо |
|
|
|
|
|||||
вания и буровых кареток. Необхо |
|
|
|
|
||||||
димо также |
создание легких |
стан |
|
|
|
|
||||
ков для бурения в подземных |
|
|
|
|
||||||
условиях скважин диаметром от 50 |
|
|
|
|
||||||
до |
100 мм |
|
разного |
направления. |
|
|
|
|
||
Применение |
вращательного |
буре |
|
|
|
|
||||
ния |
в подземных условиях |
перс |
|
|
|
|
||||
пективно и в породах |
с / sS 8-f-10. |
|
Арвпвсть пород |
|
||||||
3. При |
|
вращательном бурении |
|
|
||||||
скважин |
на карьерах, |
наряду |
Рис. 199. Зависимость интенсивности |
|||||||
с совершенствованием породораз- |
износа |
«и инструмента, скорости бу |
||||||||
рушающего инструмента созданием |
рения V6 и необходимого осевого дав |
|||||||||
резцов со |
сменными |
элементами, |
ления |
Р0й |
от увеличения |
крепости |
||||
пород |
при |
вращательном |
бурении |
|||||||
необходимо |
разработать |
методы |
|
|
|
|
повышения коэффициента извлечения буровой мелочи из скважин, из-за низкого значения которого в настоящее время теряется до 15% общей длины_ пробуренных скважин. Б. А. Катановым проведены перспективные исследования по повышению извлечения буровой мелочи из скважины подачей через отверстия в трубах шнека 3 — 4 м3 /мин сжатого воздуха (шнеко-пневматическая очистка). При этом происходит полная очистка забоя скважины, снижается по требляемая мощность на вращение шнеков, увеличивается возмож ная глубина бурения, особенно в обводненных породах, повышается скорость бурения и стойкость резцов. Необходимо также создавать станки с регулируемыми режимами бурения. Поскольку на карьерах габариты станка не являются лимитирующими, высота мачты и длина штанг должны быть максимальными, это способствует сокращению продолжительности вспомогательных операций.
Г л а в а |
X V |
НОВЫЕ МЕТОДЫ |
БУРЕНИЯ |
§ 85. Классификация методов
Вследствие значительной стоимости бурения шпуров и скважин механическими способами, опасности в обращении и применении ВВ для взрывания массивов и вторичного дробления негабарита необхо димы изыскания новых способов бурения и дробления, эффективность которых меньше зависела бы от прочности разрушаемых пород. Эти способы изучаются в СССР и за рубежом уже более 25 лет, однако они пока не вышли из стадии лабораторно-промышленного экспери мента (кроме огневого бурения).
Наиболее разнообразны методы, предложенные для бурения и дро бления негабарита. Отбойка породы от массива зарядами ВВ пока остается единственным методом.
Известные в настоящее время новые способы бурения^ можно клас сифицировать следующим образом.
По виду разрушения: с использованием термических напряжений; плавления и частичного испарения; механических напряжений; комбинированного воздействия.
По воздействию на горную породу: взрывами зарядов ВВ; струями раскаленных газов; твердым наконечником, нагретым до темпера туры выше температуры плавления породы; электромагнитными волнами; электрическим разрядом большой мощности; лазерным
лучом; |
магнитострикционными устройствами. |
|
|||
В настоящее время для бурения скважин предложены следующие |
|||||
установки: о б е с п е ч и в а ю щ и е |
п о с л е д о в а т е л ь н ы е |
||||
в з р ы в ы з а р я д о в ВВ н а з а б о е , о г н е в о г о |
б у р е |
||||
н и я |
и |
л а з е р н ы е ; для проплавлення |
скважин в горных поро |
||
дах: |
э л е к т р о н а г р е в а т е л ь н ы е , |
я д е р н ы е , |
э л е к |
т р о д у г о в ы е ; высокочастотные электромагнитные: |
к о н т а к т |
|
н ы е э л е к т р и ч е с к и е , м и к р о в о л н о в ы е , |
и н д у к |
|
ц и о н н ы е ; механически разрушающие породу |
при |
бурении: |
п е н е т р а т о р н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я , у л ь т р а з в у к о в ы е и и с к р о в ы е установки.
§ 86. Бурение скважин с помощью взрывов зарядов ВВ
Сущность этого способа бурения состоит в последовательной подаче на забой скважины зарядов ВВ и взрывании их. В настоящее время известны два основных способа взрывного бурения: