Файл: Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых..pdf

Затраты энергии на образование всех трещин могут быть подсчи­ таны исходя из положения о том, что плотность эффективной поверх­ ностной энергии (количество энергии, необходимое для образования свободной поверхности) является постоянной величиной.

Сведения о поверхностной энергоемкости горных пород при­ ведены в работе [135].

Часть трещин, связанная с объемом выкола, и энергия, ушедшая на образование этих трещин, а также трещин, раскалывающих породу на мелкие кусочки, и образование ядра уплотнения, может быть отнесена к разрушенному объему. Остальная часть энергии

30

Длина ударника, мм

Рис. 16. Зависимость площади внутренних трещпп (1) в шокшпнском кварците и площади обнажений лунки выкола (2) от длины ударника

уйдет в массив и частично будет потрачена на образование внутрен­ них трещин и на сейсмические колебания.

Принятый метод позволяет определить расход энергии на обра­ зование площади обнажения лунки выкола и внутренних трещин.

Исследования показали, что площадь внутренних трещин изме­ няется в значительных пределах с изменением длины ударника,

аследовательно, и времени действия ударной нагрузки (рис. 16). При разрушении шокшинского кварцита, например, ударником

сэнергией удара 3,5 кгс-м в породу ушло 2,1 кгс-м энергии, в

23

То же самое справедливо и для вращательно-ударного бурения (рис. 18, в). Бурение с малыми удельными силовыми нагрузками и малыми ударными нагрузками происходит за слет весьма энерго­ емкого поверхностного разрушения горных пород с образованием тонкодисперсного материала.

При увеличении нагрузок происходит отделение породы от мас­ сива в виде отдельных кристаллов и агрегатов кристаллов. В этом случае разрушение принято называть объемным [78]. Следовательно,

ниже критических и энергоем­ кость разрушения по граниту крепостью 14 составляет 60 кгс -м/см3.

И только колонковые перфораторы с долотчатой коронкой диамет­ ром до 50 мм работают при оптимальном значении удельной ударной мощности (2—З^Ю 4 кгс-м/с-см2 (или 1,2—2,4 кгс-м на 1 см лезвия без учета времени действия ударного импульса). В этом случае энергоемкость при бурении по граниту менее 50 кгс-м/см3.

При бурении скважин шарошками со средней удельной забойной мощностью 4,52 кгс-м/с-см2 энергоемкость процесса разрушения породы составляет 98 кгс-м/см3, а при удельной забойной мощ­ ности 26 кгс-м/с-см2 13,25 кгс-м/см3 [60].

Высокие удельные нагрузки при бурении крепких пород обеспе­ чивают более эффективное использование подводимой к забою энер­ гии, однако величина их ограничивается прочностью бурового инструмента.

При бурении скважин на небольшую глубину импульс от хвосто­ вика по штанге передается породе почти без искажения. При длин­ ном ставе штанг условия передачи импульса значительно отлича­ ются, его энергия теряется, а форма импульса изменяется. Опыты показали, что для бурения глубоких скважин следует применять перфораторы с высокой энергией удара.

25

Из сравнения удельной энергоемкости при различных способах бурения (рис. 19) видно, что ударное бурение мощными колонко­ выми перфораторами менее энергоемко (кривая 1), чем другие спо­

требует больших энергетических затрат, которые могут быть сни­ жены путем увеличения силовых нагрузок на буровой инструмент. При очень высоких нагрузках этот способ бурения будет наименее энергоемким.

Алмазное бурение (кривая 6, диаметр коронки 36 мм) является наиболее энергоемким благодаря тому, что при этом виде бурения продукты разрушения самые мелкие.

6. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ УДАРНОГО ИМПУЛЬСА НА ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ

Исследования [9, 55, 58, 60] показывают, что важное значение при разрушении породы имеет форма ударного импульса, его про­ должительность и амплитуда. Эти величины зависят от формы и мате­ риала ударника и хвостовика, а также от условий распространения волны по штангам. При ударе бойком (ударником) одинакового со штангой сечения в последней формируется импульс прямоугольной формы (рис. 20), который при данной скорости удара создает мини­ мальные напряжения в штанге. Ударники сечением, большим сече­ ния штанги, создают увеличенные силовые импульсы (рис. 21) с пиковым напряжением в головной части импульса и растянутым задним фронтом.

Возникающие силовые импульсы прямоугольной формы или близкие к ней снижают напряжения в буровой штанге и хвостовике, увеличивая их срок службы.

Разные по форме импульсы имеют и разную энергоемкость раз­ рушения горной породы. Для изучения указанной зависимости про­

26

водились специальные опыты, заключающиеся в том, что на буровую штангу диаметром 25 мм с коронкой на конце диаметром 46 мм сбрасывали ударники одинаковой массы, но различной формы

(табл. 3).

1

Рис. 20. Типичная запись ударного импульса на осциллограмме при ударе поршнем равного со штангой сечения:

I — начальный импульс; 2 — отраженный импульс

Исследования проводились на гранитных и мраморных блоках крепостью соответственно 10—14 и 5—6. В процессе работы заме­ ряли как высоту падения, так и высоту отскока ударника. С помощью

а

Рис. 21. Форма импульсов при ударе о штангу ударниками:

а — равного со штангой сечения; б — сечением, намного большим сечения штанги. Масса ударников одинакова — 4,25 кг

катодно-осциллографической установки- 2ТТСУ-2 регистрировали импульсы напряжений в штанге. Регистрировали также перемеще­ ние штанги и замеряли объем разрушенной породы. Эффективность разрушения породы при изменении энергии удара характеризова­ лась объемной работой разрушения.

27

Т а б л и ц а 3

к разрушенному коронкой объему породы (энергоемкость разруше­ ния горной породы) с увеличением работы удара падающего груза уменьшается. Указанная зависимость носит гиперболический харак­ тер: кривые имеют характерный перегиб в точке Дкр. В этой точке

Работа удара, кгс м

Рпс. 22. Изменение энергоемкости разрушения ударными импульсами различ­ ной формы:

работа удара равна 8 кгс-м для гранита и 3 кгс-м для мрамора. При увеличении энергии удара до критической величины энергоем­ кость разрушения изменяется очень быстро для ударников любой длины. Дальнейшее увеличение энергии удара до 25—30 кгс-м не дает существенного изменения энергоемкости разрушения горной породы.

Вместе с тем результаты испытаний показывают, что при разру­ шении горных пород существенное значение имеет амплитуда удар­ ного импульса и его длительность. При разрушении гранита наи­ более длинным ударником, обеспечивающим большую длительность действия ударного импульса, энергоемкость разрушения в точке

28

А кр составила 22 кгс-м/с.м3, а при самом коротком ударнике — 32 кгс-м/см3, т. е. энергоемкость разрушения породы коротким ударником больше, чем длинным.

Для мрамора при значениях работы удара больших Акр объем­ ная работа разрушения для длинного и короткого ударников равна соответственно 20 и 38 кгс-м/см3. Представляют интерес опыты, проведенные с ударниками различной длины, — от 250 до 915 мм, но равного со штангой сечения, которые сбрасывались с различных высот и имели скорость соударения со штангой от 2,8 до ё,2 м/с (порода — гематитовый роговик). При этом было установлено, что объем разрушенной породы растет с увеличением длины ударника

Анализ прямых и отраженных импульсов показывает, что при ско­ рости приложения нагрузки 2,8 м/с обратно в штангу отражается до 65% начальной энергии, из которых 10% составляет энергия, отраженная в виде импульса растяжения. При увеличении скорости удара до 4,15 м/с от породы отражается около 50% ударной энер­ гии. И, наконец, при скорости 5 м/с отраженная энергия соста­ вляет около 40%. Характер отраженного импульса показывает, что при внедрении коронки в породу происходит три цикла |разрушения.

Как показали многочисленные опыты, увеличение эффективности использования энергии удара с увеличением амплитуды прямоуголь­ ного импульса свойственно всем породам.

Таким образом, причиной изменения энергоемкости при различ­ ных ударниках является различная величина отраженной энергии импульса от породы [57]. Энергия, прошедшая в породу, — есть разность энергии прямого и отраженного импульсов. Выше было показано, что энергия, прошедшая в породу импульса, расходуется на дробление породы, трещинообразование, сейсмический эффект, образование ядра уплотнения и др.

Анализ прямых и отраженных импульсов позволяет получить наиболее важные параметры, характеризующие внедрение инстру­ мента в породу [8].

Для большей наглядности покажем применение метода прямых и отраженных импульсов при анализе единичного удара, который был нанесен по гематито-магнетитовому роговику с коэффициентом крепости / 20.

Начальный ударный импульс (рис. 23, а) создается ударом бойка длиной 475 мм по штанге одинакового с бойком сечения; ско­ рость удара 4,15 м/с, энергия удара 1,6 кгс-м.

Отраженный при разрушении породы пмпульс состоит из двух частей — растяжения и сжатия. Количество энергии в первой части равно 0,64%, во второй 20,9% начальной энергии Wua4. Общее количество отраженной энергии PFHa4 составляет 21,54%, и

29