книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

ной связи между им и р ш (корреляционное отношение" Т] = 0,69),. однако имеет место довольно значительный разброс эксперимен­ тальных точек (следует отметить, что механизм разрушения пород при гидроударном бурении имеет много общих черт с механизмом их

при гидроударном бурении (рис. 30).

Во всех случаях теснота корреляционных связей механической

контактной прочностью пород вполне закономерны. Твердость пород, безусловно, влияет на величину механической скорости проходки, но она является недостаточным свойством для характеристики по­ роды с точки зрения сопротивления ее разрушению. Очевидно, что

100 200 300 400 Рк, кр.сімм21

100 200 300 400 рК/кгс/мм~ г

5

Рис. 30. Зависимость мехапической скорости бурения от контактной прочности горных пород:

а — при бурении твердосплавными коронками; б — при

бурении алмазными коронками; в—при ударном бурении.

Одним из важных свойств характеристики породы является ско­ рость распространения трещин при ее раскалывании клином. О. Ю. Асатиани использует ее при определении границ применения различных способов бурения и выбора породоразрушающего ин­ струмента. В табл. 5 приведены сводные фактические данные показа­ телей средней механической скорости бурения по различным породам, при бурении различными способами. По данным табл. 5 видна хорошая сходимость между производительностью гидроударного бурения и скоростью роста трещин в образцах данных пород под действием ударных нагрузок. Так, наиболее высокие скорости распространения трещин при ударе (355—567 м/с) присущи таким породам, как кварциты, "вторичные кварциты и м"едно-колчеданная руда, для которых характерны и высокие показатели гидроударного

і

бурения. В таких те породах, как альбитофиры, огипсованные туфы, где скорость распространения трещин находится в пределах 119— 226 м/с, высокие показатели средней механической скорости полу­ чены при алмазном бурении. Следовательно, еще до начала бурения на основании быстрого исследования скоростей распространения трещин в имеющихся образцах пород можно давать определенные рекомендации по применению того или иного способа бурения.

§ 3. ПЛАСТИЧНОСТЬ К А К КРИТЕРИЙ БУРИМОСТИ ПОРОД

Исключительно слабо разработан вопрос об использовании пла­ стичных свойств горных пород для определения механической ско­ рости проходки. Как и при определении параметров режима бурения,

зубчатыми долотами диаметром 94, 118 и 135 мм величина проходки за один оборот долота при числах оборотов п в пределах от 57 до 530 в минуту

где ho — глубина* разрушения за один оборот долота при некоторой нагрузке Р о (порода разрушается поверхностным износом); ср —

коэффициент, зависящий от нагрузки на долото, физико-механиче­ ских свойств пород и геометрических факторов; кя — коэффициент пропорциональности (при испытании гранита к3 — 0,26, мрамора —

испытании пород, не дающих хрупкого разрушения. Для долот раз­ личных типоразмеров

рушении пород относительное увеличение механической скорости

Таким образом, приведенные формулы показывают, что с ростом

к размерам вдавливаемой части штампа. Следовательно, учитывая трудность количественного выражения пластичности пород, возможно, вместо этого показателя в расчетные формулы вводить показатели размеров зон разрушений, образующихся при вдавливании штампа.

§ 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БУРИМОСТИ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ СВОЙСТВ ПОРОД ПРИ ПРОСТЫХ ВИДАХ НАПРЯЖЕНИЙ

Многие показатели физико-механических свойств пород при элементарных видах напряжений определять намного проще, чем при определении твердости вдавливанием. Некоторые показатели прочности и прежде всего временное сопротивление горных пород одноосному сжатию давно используются в металловедении. Эти два фактора обусловили широкое применение показателей прочности (в основном при сжатии) при элементарных видах напряжений в гор­ ном деле и в бурении.

За последние несколько десятилетий для определения буримости пород с учетом их физико-механических свойств было предложено большое количество формул как на основе математического анализа сил, действующих на инструмент, так и на основе эксперименталь­ ных лабораторных и производственных исследований (эмпирические зависимости).

Как правило, формулы первого типа довольно сложные. Все они выводятся из условия, что механическая скорость проходки слагается из суммы одинаковых объемов разрушенной породы за элементарный акт. Принципиально такое допущение можно делать, если учесть, что элементарных актов разрушения очень много. Однако в конечном итоге никто из исследователей (или по крайней мере большинство из них) не рекомендует определять размеры зон разрушения при эле­

где Р — осевая нагрузка в кгс; а —• угол прлострения лезвия в град; d — длина лезвия долота в см; q — угол трения долота о породу в град.

Уточнение формулы Н. С. Успенского производили неоднократно дая^е применительно к бурению все той же однодолотчатой коронкой. Каждый исследователь вносит в формулы какие-то новые элементы, отбрасывая или оставляя старые. Однако усложнять формулы можно и нужно только в том случае, если повышается точность расчетов или же развивается теория разрушения горных пород.

Практика же показывает, что точность расчета по всем этим фор­ мулам недостаточная. В ряде случаев расчетные показатели значи­ тельно отличаются от фактических. Наличие многих математических формул для расчета одного и того же технологического процесса (или для получения предварительного результата этого процесса) свидетельствует о малой их пригодности.

Малая пригодность математического аппарата для расчета ожи­ даемой механической скорости бурения на данном этапе знаний о механизме разрушения горных пород привела к возникновению нового направления — определение ум на основании установления корреляционных связей между механическими свойствами и буримостыо пород. Полученные эмпирические формулы намного проще

удар. В принципе решение задачи таким способом возможно, однако здесь произведена замена глубины внедрения лезвия h и угла ска­

ходки с ростом коэффициента крепости или временного сопротивления сжатию горных пород уменьшается по экспоненциальному [163]

при э,том в пределах ударной мощности перфораторов ПА-23, ПР-22

для решения частных задач, требующих точного инженерного рас­ чета.

Более тесная корреляционная связь иы при всех видах бурения наблюдается с осредненным коэффициентом крепости, рассчитывае­ мым по формуле (III . 9) . Лучшие результаты получены при сравнении /оср с ум мелкоалмазного бурения (-ff,.ap = 7%), при этом характер связи аналогичен графику (рис. 32).

§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ОБЪЕМНОГО ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Существует корреляционная связь между механической скоро­ стью бурения и показателями динамической прочности FA по методу толчения и дробимости F m a x (соответственно гиперболическая и сте­ пенная).

При определении применимости показателя F m a x для практики авторы данного метода [29] провели следующие опыты. На блок по­ роды устанавливали однодолотчатую коронку диаметром 49 мм

а

Рпс. 33. Зависимость величины проходки горных пород за один удар:

а— Of дробимости А; б — от динамической прочности.

со штангой общей длиной 0,84 м, по которой наносили удары-с энер­ гией 8 кгс-м. Для каждого последующего удара коронку поворачи­ вали на 30°, и таким образом бурение вели на глубину 50 мм. За по­ казатель скорости бурения принимали усредненную глубину про­ ходки за один удар hx.

Сопоставляя /гх с Vmax и FA (рис. 33), авторы отметили, что ис­ пользование показателя динамической прочности для оценки со­ противления горных пород разрушению при бурении может привести к существенным погрешностям при FA < Ю — 1 2 из-за большой кру­ тизны кривой. Однако сказанное авторами полностью относится также к кривой зависимости vM от У т а х в области малых значенні! этих показателей (по данным более поздних исследований зависи­ мость ht от F m a x оказалась близкой к прямолинейной [38]).