22 |
Горные породы и буровые работы |
бробуры. |
Вибробур представляет собой буровой снаряд с ра |
бочим наконечником, присоединенный к вибратору и совершаю щий 3—6 тыс. колебаний в 1 мин. В области вибробурения ве
дутся значительные исследовательские работы.
Электрогидравлический метод разрушения и, в частности, ме
тод бурения крепких пород, предложенный Л. А. Юткиным, ос
нован на высоковольтном импульсном разряде в жидкости. Око ло разряда в воде образуется волна давления в результате быст рого расширения канала высокотемпературного искрового раз
ряда и образования газов в его зоне. В воде образуется полость,
которая быстро растет, обгоняя рост канала искры. По прекра щении разряда полость быстро смыкается: происходит явление, подобное захлопыванию кавитационного пузыря.
В последние годы в СССР проведены также опыты по реза нию весьма крепких горных пород тонкой струей воды, вылетаю
щей из насадки диаметром 0,8—1,5 |
мм со сверхзвуковой ско |
||
ростью. Предварительные опыты показали, что |
при давлении в |
||
1000 ат за 20 сек. в граните можно |
пробурить |
шпур |
глубиной |
50 мм. |
|
гидравлического |
|
Освоение электрофизического, термического, |
|||
и других методов разрушения горных пород является |
одной из |
||
важных задач современной горной науки.
§ 2. Основные положения теории ударного и вращательного
способов бурения
Выше отмечалось, что ударный и вращательный способы бу рения пользуются в современной практике горного дела наиболее широким распространением. Рассмотрим основные положения теории этих способов.
Ударное бурение
При бурении буровой инструмент, имеющий обычно клиновид ную форму, наносит удар о породу и внедряется в нее. Затем бу ровой инструмент отводится от забоя, поворачивается на неко торый угол, наносит следующий удар и т. д. Под действием уда ров порода разрушается, а образовавшаяся буровая мелочь вы мывается из шпура водой.
Первая обстоятельная теоретическая работа по ударному бу рению принадлежит проф. Н. С. Успенскому (1903 г.) *. В после дующие годы этому вопросу было посвящено немало ценных тео ретических и экспериментальных исследований.
Теоретические работы последних лет В. К- Бучнев разделя-
:■ - 1 -Н,- С. Успенский, Курс глубокого бурения ударным способом. 1924.
Сведения о |
буровых работах и теории бурения |
23 |
|
ет на три группы :* а) |
работы уточняющие и дополняющие теорию |
||
Н. С. Успенского; б) |
работы, опровергающие теорию Н. С. Ус |
||
пенского и в) |
работы, рассматривающие теорию ударного буре |
||
ния шпуров и |
механизм разрушения шпуров на новой |
научной |
|
основе. Однако единой общепризнанной теории ударного бурения до настоящего времени еще не выработано.
Рис. 1. Схема разрушения пород при ударном бурении
По данным советских исследователей И. А. Остроушко и др. механизм разрушения горных пород при ударном бурении шпуров представляется сле дующим образом.
При действии на породу внешней силы (цилиндрический пуансон) в по роде формируются объемы: aob—главный объем давления и пот.—объемы скалывания (рис. 1). При этом развиваются следующие деформации:
1) упругие деформации (формирование главного объема дав ления и сферических объемов, напряженных в различной степени);.
2) деформации разделения на части (отделение главного объема давления, отделение объема скалывания и образование трещин на по верхности первого сферического объема). Считается, что роль главных объе мов давления в разрушении твердых тел одинакова для различных материа лов (металлов, горных пород и т. д.) и не зависит от формы тел.
Формирование главного объема давления происходит при нарушении це лости тела сдвигами по образующим поверхностям главных объемов в усло виях всестороннего сжатия:
Ру sin я0 = a0F0 + Ру ccs а0/г;
|
Ру = |
0оРо |
|
О) |
|
SIU ct0 — COSa^ |
|
||
где |
Ру— давление инструмента; |
|
|
|
а0 — угол наклона образующей поверхности главного |
объема давления: |
|||
з0— временное сопротивление |
сдвигу |
на поверхности |
главного объема |
|
|
давления; |
трения; |
|
|
fi |
— коэффициент внутреннего |
объема давления; |
||
F°—образующая поверхность |
главного |
|||
|
|
0,785d12 |
(2) |
|
|
Р0 = 3,14гс = —'-------- |
|||
|
|
COS а0 |
|
|
1 В. К. Бучнев, Буровзрывные работы, Углетехиздат, 1955, стр. 78. Дальнейшее изложение теории ударного бурения дается по этой книге.
24 |
Горные породы и буровые работы |
|
|
Внешнее усилие должно быть равно: |
|
|
0,785d2so |
(3) |
|
Ру = |
CCS а0 (sln ао — ccs “<Л)
При соприкосновении по поверхности, имеющей форму прямоугольника, поверхность главного объема давления будет равна
d |
d2 |
db |
F0=2(b-d)----------- |
+4—---------- =--------------- |
. |
ZCOS a0 |
4COS a0 |
CCS a0 |
Внешнее усилие при этом составит |
|
|
„ |
db ®n |
, |
Ру =--------------------- |
5--------------- |
|
cos а0 (sin а0 — ccs ао^1) |
|
|
где b — длина соприкасающейся |
поверхности (инструмента). |
|
Объем отделенной породы будет |
|
|
(4)
(5)
На поверхности главных объемов давления, образующихся при смятии, будут действовать силы трения. При внешней силе Ру движение инстру мента вниз с учетом сил трения будет происходить под действием силы Рь
Pj = Ру sin а0 (sin а0 — cosa0f2), |
(7) |
где /г — коэффициент трения породы. |
|
Сопротивление смещению объема скалывания (см. рис. 1). |
|
Р2 = Ру cos а0 ccs ф f3 4- Pi а0, |
(8) |
где ф — угол между образующей поверхностью главного объема |
давления |
и образующей поверхностью |
объема |
скалывания; |
|
|
)з — коэффициент трения |
на этих |
поверхностях. |
|
|
Проекция вектора сопротивления на вектор силы Ру |
|
|||
Р3 = (Ру CCS а0 COS Ф f3 + Рх а0) CCS ф sin а0 . |
(9) |
|||
Смещение объема скалывания произойдет при условии, если |
|
|||
Ру • sin а0 (sin а0 — COS а0?г) — (Ру COS “о ccs Ф |
4" ®о^1) C°S Ф 'in а0 |
= 0. |
||
Решив это равенство относительно Ру , получим |
|
|||
пу — |
Pjan cos ф |
■ .... ■'— |
(10) |
|
sin а0 — COi “(Л — CCS а0 COS2 ф f3 |
|
|||
где F| — поверхность объема скалывания;
„ „ , d2 tg2 a.. cos<pn
F, =0,785 ------ 2—!!------, sin2 <p0
где фо — угол наклона образующей поверхности объема скалывания верхности образца.
При разрушении породы в стесненных условиях шпура сила Ру чивается, а объем отделившейся породы уменьшается.
(И)
на по
увели
Сведения о буровых работах и теории бурения |
25 |
После отделения объема I скалывания инструмент погружается в мате риал (рис. 2, а). Вначале будет происходить уплотнение зажатого материала, а затем сформируется новый главный объем давления. Далее отделится ко нус обрушения, а затем будут выдавлены объемы II. Выдавливание будет
Рис. 2. Механизм разрушения породы:
а — при первом ударе бура; б — отделение объемов скалывания; в — процессы разрушения породы
сопровождаться смятием как самих объемов, так и некоторого количества породы за пределами внешних граней конуса обрушения. Наибольшее со
противление, преодолеваемое инструментом при этих деформациях, очевидно, будет соответствовать моменту отделения конуса обрушения.
26 |
Горные породы и буровые работы |
В следующем цикле условия для разрушения станут еще более неблаго |
|
приятными, |
так как значительная часть работы будет расходоваться на по |
вторное дробление и преодоление сил трения.
Частным случаем разрушения раздавливанием является разрушение ост рым инструментом, рабочая кромка которого (лезвие) может рассматри ваться как площадка с закругленными краями. Под лезвием такого инстру мента будут формироваться главные объемы давления и происходить отделе ние объемов скалывания (рис. 2, б).
После отделения первого объема скалывания и погружения инструмента
произойдет второй цикл разрушения, |
потом третий и т. д. Отделение мелких |
|
■объемов будет продолжаться до тех |
пор, пока боковые грани |
инструмента |
не придут в тесное соприкосновение |
с неразрушенной породой, |
после чего |
произойдет отделение большого объема скалывания. Во время последней де формации нижняя часть инструмента, соприкасающаяся боковыми гранями с породой, будет выполнять роль главного объема давления.
Углы cto и фо не зависят от угла заточки инструмента и определяются
только свойствами породы. Угол' заточки инструмента, а следовательно, угол наклона граней инструмента «и могут оказывать значительное влияние на эффект разрушения.
При ап< а0 как после отделения первого, так и последующих объемов скалывания поверхность соприкосновения инструмента с породой будет не прерывно возрастать. Погружение будет сопровождаться повторным зажи мом разрушенной породы и ее дополнительным дроблением.
При 7и = «о острая часть инструмента в процессе отделения больших объемов скалывания выполняет роль главного объема давления. При даль нейшем увеличении угла наклона граней инструмента ( 7и > ио) глубина по гружения инструмента увеличивается с каждым циклом разрушения.
Наибольшее усилие в конце цикла погружения инструмента конусообраз ной формы при “и> cto составит
0,785d2 tg2 аи ccs <р0 cos ф пп |
|
sin2 <f>0 (sin аи |
(12) |
— cos aHf2 — cos a„ cos2 ф ?з) |
|
где d — величина диаметра или |
ширина инструмента на уровне свободной |
поверхности.
Для острого инструмента с длиной рабочей кромки (лезвия) b формула примет вид
[0,785d2 tg2 |
аисоз<рп sin<pn ф- d (b — d)tgctHlan |
» |
О"3) |
|
Ру = |
: |
■ |
||
n2 |
|
. |
|
|
--------- (cos q>0 — sin фоУ sin3 Фо
1 — «2
где n2 — постоянная Пуассона.
Объем отделенной породы в этом случае будет равен объему конуса с
диаметром основания d2 и высотой h и объему трехгранной призмы с осно
ванием b, d2 и высотой h. |
|
|
|
|
|
Если выразить d2 через h, то объем конуса |
может быть принят |
равным |
|||
VK = 1,047 |
/ |
d, \2 |
|
h9 |
(14) |
|
-Ч ft=l,047—— |
||||
|
|
\ 2 |
/ tg^0 |
|
|
Объем призмы при тех же условиях |
|
|
|
||
Vп |
|
dh |
Л2 |
Ь. |
(15) |
|
-----6 =---------- |
||||
|
|
2 |
tg<p0 |
|
|
Сведения о буровых работах и теории бурения |
27 |
|||||||
Общий объем отделенной породы будет |
|
|
|
|
|
|||
|
|
п _ |
/г3 |
|
й2 |
|
Ь. |
(16) |
V = VK + Vn = l,047—— + ------- |
|
|||||||
|
|
|
tg2<p0 |
tgcpo |
|
|
|
|
При бурении в стесненных условиях, когда ширина рабочего |
простран |
|||||||
ства равна длине инструмента Ь, будет отделяться только объем Уп• |
||||||||
Работа при одиночном погружении инструмента |
|
|
|
|||||
Для случая разрушения |
на свободной |
поверхности |
работа |
объемного |
||||
разрушения составит |
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
= |
=______ руtg2^_______ |
|
|
П8) |
|||
с |
2V |
2.09Л2-Ь 2Л6 tg ср0 |
’ |
|
’ |
|||
Если же разрушение происходит в |
стесненных условиях, то |
|
||||||
|
|
Py/i |
Ру |
tg<p0 |
|
|
|
(18а) |
|
0 |
ал -- -----------—--------------- |
|
|
||||
|
2Vn |
2hb |
|
|
|
|
||
Во втором случае объемная работа разрушения будет больше во столько раз, во сколько а0 больше ас , т. е.
г.омч-змьт. =ь05 = —+1
ас |
2/i6tg<f>0 |
|
6tg<p0 |
Из выражения |
(19) следует, что |
с |
увеличением погружения инструмента |
к. п. д. процесса будет снижаться, |
а |
при увеличении диаметра—увеличи |
|
ваться. |
|
|
|
Процесс разрушения породы на забое шпура принимается таким же, как его трактовал проф. Н. С. Успенский (рис. 2, в).
Пренебрегая уменьшением расхода работы из-за перекрытия площадей в центре шпура при повторных ударах, можно считать, что общая площадь скалываемых сегментов с учетом боковых поверхностей будет равна
S = 0.004462 ш |
0,017566 о», |
(20) |
1де со — угол поворота бура; |
шпура. |
|
b •— длина лезвия или диаметр |
|
|
Отделение секторов будет происходить по линии ak и дугам Ьс и Ъ'с'. Со |
||
противление этих элементов отделению будет |
|
|
Р' = 0.004462 о> а'о + 0,0175b/i о> Oq, |
(21) |
|
где о'о — временное сопротивление породы скалыванию. |
|
|
Для того чтобы преодолеть это сопротивление инструментом, |
должна |
|
•быть применена сила |
|
|
0.004462 ш <7q |
0,017566 ш Cq |
(22) |
пг |
|
|
|
|
|
1 — п2