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

трапеции и перпендикуляром, опущенным на ее нижнее основание, называют углом бокового развала, который равен

динамической прочности, поэтому соотношение двух прочностных

по формуле (11.20) определяется также показатель t g а, графически представляющий тангенс угла наклона кривых, построенных в коор­

связан линейно, причем коэффициент вариации относительно прямой

казатель Vmax можно было бы рекомендовать для оценки хрупкости пород, тем более, что по данным тех же авторов, показатели t g а

нагрузку на стержень можно изменять). За критерий абразивности пород был принят коэффициент износа стержня, равный отношению объема изношенного твердого сплава к величине работы, затраченной на трение (износ твердосплавного стержня на единицу работы сил трения), и измеряемый в см3 /кгс-м. Момент сил трения замеряли моментомером.

В этом методе в значительной степени моделируется процесс буре­ ния скважин, а критерий абразивности учитывает путь трения твер­ дого сплава по породе и удельную нагрузку на стержень. Однако метод не получил распространения, по-видимому, из-за некоторых

в) на малоабразивных породах для получения фиксируемого из­ носа требуется вести испытание в течение довольно длительного времени;

г) трудоемкость подготовки к испытанию образца породы. Однако метод обладает важными положительными качествами,

и после некоторого упрощения он может быть рекомендован к широ­ кому практическому использованию.

Большие и ценные исследования для установления закономер­ ностей нзностойкости металла и сплавов были выполнены Л. А. Шрейнером и др. [231]. Образец породы, тщательно отшлифо­ ванный, устанавливается на столе, который строго горизонтально перемещается поступательно со скоростью 4 мм/мин. Образец под­ водят под эталонное режущее кольцо диаметром 30 мм и толщиной 2,5 мм, изготовляемое из углеродистой закаленной стали марки У8. Его можно вращать со скоростью 300; 350; 500; 800; 1110 и 1400 об/мин при нагрузке от 1 до 30 кгс. Продукты изнашивания уда­ ляются водой или воздухом.

Для количественной оценки абразивности пород и износостой­ кости материалов было предложено несколько показателей:

где АУС — объемный износ стали на единицу пути трения (в про­ цессе опытов с помощью счетчика фиксировали общее число оборо­ тов кольца) в см3 /м; Р — нагрузка на кольцо в кгс;

2) показатель относительной абразивности

висит от соотношения микротвердости металла и породы [173, 231];

объема изношенной стали к объему разрушенной породы, приходя­

Исследования, проведенные по вышеописанной схеме, показали, что с ростом і\ГуД износ стали марки 20ХНЗА резко возрастает, при этом характер зависимости а н з {NyA) аналогичен для всех пород (рис. 10). На кривых (рис. 10) четко прослеживаются две области износа металла с ростом ІУу д . В каждой области

При їїуЛ<С 0,04 кгс-м/с-мм2 скорость скольжения не влияет на скорость износа. При NyI1 >• 0,1 кгс-м/с-мм2 коэффициент А ста­ новится функцией скорости скольжения (область ІУуд = 0,04—

0,1 кгс -м/с -мм2 является переходной). Возрастает также коэффициент к±. Авторы считают, что показатели kj и А являются критериями оценки относительной абразпвности пород при их разрушении. Зна­ чения этих коэффициентов для трех разновидностей пород приведены в табл.1.

Т а б л и ц а 1

• Разработанная методика довольно сложная, но получаемые по­ казатели, по-видимому, позволят сравнительно легко и с большой достоверностью оценивать количественный износ рабочих органов породоразрушающих инструментов.

Метод определения абразивности угля по износу стального кольца в течение 10 мин при удельном давлении 30 кгс/см2 и средней окруж­ ной скорости вращения 0,142 м/с в последнее время рекомендуют

вИГД им. А. А. Скочпнского. За критерий абразивности прини­ мается вес изношенной части кольца, отнесенный к 1 км пути тре-.^ ния. На установке можно проводить исследования влияния на износ эталонного кольца удельного давления, скорости вращения и вре­ мени истирания.

Наиболее простой метод определения абразивности горных пород

вмонолитном состоянии предлояшл Л. И. Барон [30]. На столе сверлильного станка в тиски закрепляют образец породы, верхняя поверхность которого должна быть горизонтальна. Сверление по­

роды в течение 10 мин производят эталонным стержнем диаметром 8 мм, выполненным из прутка калиброванной стали-серебрянки под нагрузкой 15 кгс и скорости вращения шпинделя 400 об/мин. Для равномерного износа стержня во всех породах в одном из его торцов высверливают отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10—12 мм (тор­ цовые поверхности перпендикулярны оси). За критерий относитель­ ной абразивности принимается потеря веса стержня (в мг).

Метод измерения абразивности пород широко применяется в гор­ нодобывающей промышленности, хотя ему, как и другим подобным методам, присущи весьма существенные недостатки:

1) неудачно выбран критерий абразивности пород (не учитывает удельную нагрузку на стержень и скорость скольжения). Исполь-

зование этого показателя при расчете силовых и энергетических характеристик, а также при расчете ожидаемой механической ско­ рости проходки и проходки на породоразрушающий инструмент представляет определенные трудности. Это обусловлено тем, что величина износа не прямо пропорциональна нагрузке на инструмент и скорости его. вращения и, следовательно, учесть различие между удельной нагрузкой в производственных условиях и при проведении опытов в лабораторных условиях одним коэффициентом невозможно;

2) для испытания рекомендуется применять стержень из сталисеребрянки,тогда как в производственных условиях породоразрушающие инструменты изготовляют, как правило, из твердого сплава, В то же время известно, что износостойкость различных материалов не пропорциональна в различных породах, и ценность получаемого показателя абразивности в значительной степени снижается. Этот недостаток присущ большинству методов определения абразивности пород;

3) стержень истирают в одной точке образца породы, поэтому уже через несколько секунд после начала испытаний происходит

и шелушение металла, и вес стержня резко уменьшается даже при испытании малоабразивных пород.

Позже Л. И. Барон и К. Д. Бондарев [19] предложили специаль­ ный (более чувствительный) метод определения абразивности пород ка­ лийных месторождений. Образец породы диаметром 33 — 34 мм за­ жимают в патрон токарного станка и с торца стальным эталонным резцом (передний угол составляет 0°, задний угол — 45° и площадка притупления 0,1 -f- 0,2 X 0,3 мм) снимают стружку на глубину 0,3 мм. Резец вытачивают из пластинки стандартного щупа. Скорость вращения керна составляет 320 об/мин, горизонтальная подача резца 0,05 мм на один оборот керна. При износе резца 0,15—0,25 мм (число стружек составляет от 1 до 100) по формуле подсчитывают показатель абразивности

При этом методе определения абразивности пород трение металла по продуктам своего разрушения исключено, однако основные не­ достатки предыдущего метода остаются.

Для определения абразивности пород в Московском горном инсти­ туте был использован сверлильный станок. Плоскость образца шли­ фовали, а в качестве изнашиваемого инструмента служил долото­ образный цилиндрический стержень диаметром 7 мм, заостренный

под углом 60°. Стержень выполнен из стали марки Ст. 45, закален­ ной до HRC-45—50.

Испытания проводили в течение 10 мин при нагрузке 110 кгс и скорости вращения 160 об/мин. Регистрирующий прибор записывал диаграмму (рис. 11) в координатах: время испытания t; углубка до­

где ho — начальная ордината асимптоты в мм; to — постоянная при испытании данной породы в мин; ук — конечная скорость углубки, равная тангенсу угла срк (см. рис. 11).

Коэффициент абразивности опре­ деляется по формуле

зпвность пород с помощью усовершенствованного прибора А. М. Янчура и А. Н. Кульбачного [243 , 244] в забойных условиях (прибор ПТА). Для определения применили стандартное спиральное металло­ режущее сверло из стали марки Р-18 диаметром .12 мм. Шпиндель

ПТА, здесь в качестве эталонного породоразрушающего инструмента служит стандартное металлорежущее спиральное сверло с кониче­ ским хвосговиком по ГОСТ 10903—64 диаметром 12 мм с углом при вершине 180° из стали Р-18.

тем требуется большее осевое усилие для внедрения сверла в породу на одну и ту же величину, и чем большая абразивность пород, тем

М. И. Смородиновым [171, 257] предложен метод оценки абра­ зивности пород при истирании твердосплавного радиоактивного стержня (радиоактивность возникает при облучении стержня на реакторе потоком нейтронов по вольфраму). С помощью сверлиль­ ного станка при нагрузке 15 кгс и скорости вращения шпинделя 97 об/мин эталон в течение 15 с истирают по образцу. Исходя из того, что радиоактивность следа (пятна истирания), образующегося на образце, пропорциональна абразивностипороды, изменение веса стержня за 1 с (критерий абразивности породы) рассчитывают по формуле

нию с другими методиками снижается, однако ей присущи все не­ достатки, которые характерны способам, основанным на истирании стержня при стандартных параметрах трения.

Из методик, предложенных зарубежными исследователями, сле­ дует отметить методики определения абразивности пород, разрабо-

' тайные Г. Сиверсом [162, 255] и Р. Шефердом [225, 256].

По Г. Сиверсу, в обойме закрепляют два стальных стержня диа­ метром по 3 мм на расстоянии 15 мм один от другого, после чего обойма (стержнями вверх) вращается с помощью настольного станка. При нагрузке 20 кгс стержни при трении о породу изнашиваются в течение двух минут. Критерием абразивности пород является время, необходимое для износа стержней по высоте на 1 мм.

По Р. Шеферду, латунный стержень диаметром 15,9 мм при на­ грузке 57 кгс истирают по образцу породы на одном месте со ско­ ростью 180 об/мин в течение 5—15 мин. Критерий абразивности — потеря веса стержнем за 1 мин. При этом методе происходит особенно интенсивное засаливание породы продуктами износа латуни.

Определение абразивности дробленой породы. Известны несколько методов определения абразивности раздробленных пород, которые принципиально отличаются как по способу изнашивания металла, так и по конструктивному исполнению приборов.

Метод А. В. Кольченко [30, 231] заключается в следующем. Глинистый раствор (2200 см3 ) удельного веса 1,07—1,08 гс/см3 сме­ шивают с породой фракцией 0,105—0,250 мм (300 см3 ). Под давле­ нием газа (10 кгс/см2 ) из насадки со скоростью 35 м/с смесь подают на стальной эталонный образец — диск диаметром 28 мм и толщи­ ной 5 мм, установленный на расстоянии 25 мм от торца насадки под углом 45°. За критерий абразивности принимают объемный износ пластинки.