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

Максимальная амплитуда ударных нагрузок, определяющая стой­

ПР22

Р и с . 204. Ударные системы буровых машин, приведенные по усло­

бойком равного со штангой сечения при ударе со скоростью 15 м/с. Энергия удара при указанной выше амплитуде может увеличиваться за счет длины (массы) ударника практически неограниченно.

На рис. 205 приведены результаты теоретического исследования ударной системы для скважины диаметром 50 мм при бурении по граниту. Расчетные точки получены для длин ударников, указанных

370

на рисунке. Расчеты проводились по приведенной выше методике для системы ударник — инструмент — порода.

Анализ показывает, что для заданной амплитуды ударного импуль­ са и неограниченной его продолжительности, т. е. при неограничен­ ном увеличении энергии удара, существует предельный объем раз­ рушения, который можно получить в скважине заданного диаметра. Практически линейный рост объема разрушения сохраняется до

У/Umax,и/

энергии удара 25—30кгс-м, когда объем разрушения достигает 50—60% i>max. Дальнейшее увеличение энергии удара приводит к снижению темпа роста объема разрушения. Так, при увеличении энергии удара с 35 до 65кгс-м прирост объема составляет всего 20%. Для получения объема разрушения, равного 0,9 нтах, нужно затратить около 80кгс-м. Таким образом, для заданного диаметра скважины всегда существует предельная энергия удара, которая может эффективно производить полезную работу, т. е. разрушать породу.

Минимальная энергоемкость лежит в пределах от 5 до 10 кгс-м. Увеличивая объемную энергоемкость до 1,5 раз, можно довести энергию удара до 40—50 кгс/м, что также соответствует допустимым по стойкости нагрузкам на контакте инструмента с породой.

Максимально повысить скорость бурения за счет увеличения энергии удара (без увеличения частоты) по сравнению с достигаемой

при энергии удара 8—10 кгс-м в рассматриваемом случае можноне более чем в 3,5—4 раза (при условии сохранения стойкости ин­ струмента).

Перенося эти результаты на системы, построенные по правилам подобия, например для бурения скважин диаметром 105 и 155 мм,, практически можно довести линейные скорости бурения до 2—4 м/мин, т. е. скорости на порядок более высокие, чем получают в настоящее время при любом другом способе бурения. Для получения таких скоростей при заданной стойкости инструмента необходимо довести энергию удара при бурении скважин диаметром 105 и 155 мм соответ­ ственно до 160—450 и 600—1400 кгс-м при 2000 уд/мин. Это будет соответствовать мощности ударного привода соответственно 50— 130 и 180—440 кВт (для сравнения расход мощности только тепло­ носителем при огневом бурении станками СБО составляет 1300— 1500 кВт, а установленная мощность на шарошечных станках 150— 460 кВт).

Несколько слов о нагрузках, возникающих при этом на инстру­ менте. На представленном графике (см. рис. 205) нанесены величины максимальных контактных усилий, возникающих при различных энергиях удара. Из этого графика видно, что повышение энергии удара до 15 кгс-м (при бурении скважин диаметром 50 мм) практи­ чески не увеличивает нагрузок на инструменте по сравнению с уда­ ром в 8 кгс-м. Это позволяет использовать обычное, не усиленноевооружение инструмента.

При энергиях удара в диапазоне 20—40 кгс-м нагрузки воз­ растают вдвое и поэтому должно предусматриваться усиление воору­ жения примерно во столько же раз, что вполне осуществимо в габа­ ритах заданного диаметра. Дальнейшее увеличение энергии удара приводит к следующему значительному скачку контактных усилий, которое в заданных размерах инструмента компенсировать очень трудно. Однако, как было показано выше, эта область является также нецелесообразной с точки зрения затрат энергии.

Возможность расчета максимальных параметров позволяет срав­ нивать создаваемые машины с предельными эталонами, т. е. иметь границы, к достижению которых необходимо стремиться. Такие предельные границы по энергии удара, рассчитанные для различных диаметров шпуров и скважин при бурении по граниту / = 12—14, приведены в табл. 88, причем нижние пределы относятся к ударникам

диаметра практически достигли по энергии удара своего максимума, ограниченного допустимой энергоемкостью бурения и стойкостью инструмента.

Машины для бурения глубоких скважин диаметром 50—65 мм имеют еще двух-трехразовый запас по повышению ударной мощно­ сти за счет энергии удара. Наибольшие же перспективы в этом отно­ шении имеют машины, предназначенные для бурения скважин

372

Т а б л и ц а 88

■большого диаметра (100—200 мм). Их широкое применение, осо­ бенно для открытых работ, где нет жестких ограничений по габари­ там, при использовании сжатого воздуха давлением 20—30 кгс/см2, электроили гидроприводов позволят резко повысить производи­ тельность буровых работ.

9. РАСЧЕТЫ ПРИ ШАРОШЕЧНОМ БУРЕНИИ

При проектировании шарошечного инструмента производится кинематический расчет конструктивных элементов шарошек, проч­ ностной расчет опор долота, динамический и энергетический рас­ четы процесса взаимодействия породоразрушающих элементов до­ лота с породой и, наконец, расчет расхода жидкости или сжатого воздуха для очистки забоя от шлама.

Кинематические и конструктивные расчеты шарошечных долот разработаны достаточно полно [73, 130, 146]. Основной проблемой, как и в ударном бурении, в данном случае является разработка ме­ тодов расчета процесса взаимодействия инструмента с породой.

Известные в настоящее время попытки создания таких методов можно условно выделить в три группы. Между этими группами не существует резких разграничений, наоборот, на основных этапах создания теории они используют аналогичные экспериментальные исследования. Однако методически в них по-разному используются полученные опытные данные.

Силовой расчет шарошек

К первой группе можно отнести методы расчетов, основанные на составлении эмпирических соотношений, полученных при обра­ ботке экспериментальных данных на эталонном инструменте с вве­ дением поправочных коэффициентов на различные отклонения от эта­ лона. Такой метод расчета применительно к шарошкам для проход­ ческого комбайна приведен в работе [22] и может быть использован для расчета шарошечных долот.

Величина осевого усилия на шарошечное долото определяется исходя из необходимости обеспечения на всех одновременно кон­ тактирующих с забоем шарошках уровня удельного давления, до­ статочного для объемного разрушения горной породы. В первом

373

где I y — градиент осевого усилия; по результатам математической обработки экспериментальных данных [22]

h — величина подачи шарошки, численно равна глубине раз­ рушения;

Z — число шарошек, одновременно контактирующих с забоем; Рк — контактная прочность горных пород, кгс/мм2.

Таким образом, подставляя (232) в (231), имеем

Формула (232) получена при разрушении горных пород эталон­ ной шарошкой. Чтобы зависимость (233) могла служить в качестве расчетной формулы и при других значениях геометрических пара­ метров шарошки, необходимо в нее ввести следующие поправочные коэффициенты: Яф(у) — на форму штырей; Kd — на дпаметр шты­ рей; K t — на шаг штырей; Яд — на диаметр шарошки. С учетом перечисленных поправочных коэффициентов и числа венцов ша­ рошки па расчетная формула (233) примет вид

Значения коэффициента К д:

Поправочные коэффициенты KD и Kt рассчитываются по форму­ лам:

где d — диаметр штыря, мм; t — шаг штыря, мм.

374