Основы теории разрушения при различных способах бурения горных пород

Лекция 3.

3.4.1. Основы теории вращательного бурения режущим инструментом

На каждое из перьев затупленной коронки действуют силы, показанные на схеме:

Процесс разрушения породы складывается из 2^х этапов: 1. дробление породы с образованием уплотненного ядра 2. скалывание крупного элемента породы. Со стороны процесса на перо коронки действуют силы: Рх – сила давления породы на переднюю грань пера; Ру – сила давления породы на заднюю грань пера; fРх, fРу – силы трения по передней задней грани пера.   k = 0,5-0,6 – коэффициент уменьшения контакта пера с породою из за ее хрупкости; h – толщина стружки, м; σ см – временное сопротивление породы смятию, Н/м^2; d – диаметр коронки, м.

Можно принять, что Р_х и, fР_у приложены на расстоянии ½ d /2 от оси коронки. Тогда момент сопротивлению вращению коронки:

f – коэффициент трения твердого сплава о породу;

m – количество перьев.

Сила давления на заднюю грань пера:

Р_у=с ∙ Р_х

с = 0,7-1,5 – коэффициент, величина которого зависит от толщины стружки (меньший предел соответствует большей толщине стружки)

Сила подачи коронки на забой:

Р_ос = m(Р_у + fР_х) = m∙ Р_х∙ (c+f)

Скорость бурения: V = m · h · n

3.4.2. Основы теории ударного и ударно-вращательного бурения

Основоположник теории Н.С. Успенский (1908). Под действием силы удара Р долото внедряется в породу на глубину h.

(1)

Р _т – сила трения лезвия о породу, Н;

Р _Н – сила нормального давления лезвия на породу, Н;

α – угол заострения лезвия, град.

k _з – коэффициент затупления лезвия, k _з = 1,2-1,3.

Из формулы (4) глубина погружения лезвия h равна:   Сила Т стремится сколоть некоторый объем породы и равна:

Из схемы видно, что: (2) (3) f – коэффициент трения твердого сплава о породу; σ см – временное сопротивление породы смятию, Н/м^2;

(5)  

(4)  

Сила Т стремится сколоть некоторый объем породы и равна:

(6)

(7)

С другой стороны силу Т можно как:

Т = S · σ _cк (8)

S – площадь 2^х секторов породы, скалываемая после каждого удара, м²

σ_cк – временное сопротивление породы скалыванию, Н/м²

Если коронка за один оборот производит n­_о количество ударов, то площадь скола после каждого удара:

(9)

Подставим (9) в (8) получим:

(10)

Приравняем (7) и (10) и получим выражение для оптимального числа ударов на один оборот коронки:

(11)

Скорость вращения бурового долота:

n_в= n/n_o

n – число ударов поршня буровой машины в минуту.

Скорость бурения:

V_б = n_в · h, м/мин (13)

Работа удара:

А = (Р/2) · h, Н·м (14)

(сила принята как Р /2 так как в процессе внедрения она увеличивается от 0 до Р)

Мощность пневмоударника:

3.4.3. Основы теории шарошечного бурения

Механизм разрушения породы при шарошечном бурении аналогичен ударному, поэтому глубину погружения зуба примем равной:

(1)

Р – сила действующая на зуб шарошки, Н;

l – длина зуба шарошки, м;

σ _сж – временное сопротивление породы сжатию, Н/м²;

α – угол заострения зуба шарошки, град;

f – коэффициент трения твердого сплава о породу;

К _з – коэффициент учитывающий влияние затупления зуба, К _з = 1,2-1,3

Работа долота:

Длина контакта зубьев с породой:

L = l₁+l₂+l₃ (2)

Если долото имеет m шарошек то длина контакта равна mL. Подставим в формулу (1) вместо l общую длину контакта и вместо Р нагрузку долота Р_n:

(3)

Вследствие вторичного дробления породы внедрение будет меньше того, определенного по формуле (3). Это можно учесть увеличением длины контакта зубьев до полной длины зуба, равной D /2

D – диаметр долота, м

(4)

Скорость бурения:

V=k₁·h·m·n, м/мин

k ₁<1 - коэффициент учитывающий уменьшение скорости бурения из за неполного скола породы между зубьями;

n – скорость вращения долота, об/мин, обычно 70-180об/мин.

Величина силы S для перекатывания шарошки определяется из уравнения моментов:

(5)

d - наибольший диаметр шарошки, м;

f₁ – коэффициент (плечо) трения качения в подшипнике шарошки, (0,7-1,0см)

f₂ - коэффициент (плечо) трения качения шарошки по породе, f ₂ =(0,8÷1,2) (πd)/ z.

z – число зубьев шарошки.

Полагая, что S приложена на расстоянии D /3 от оси вращения долота(штанги) определим момент на вращение бурового става:

М= (D/3) ∙ S · m · K ₂, Нм (6)

K ₂ =1,05-1,1 – коэффициент учитывающий трение буровой штанги о стенки скважины.

Мощность расходуемая на вращение буровой штанги:

N=M·ω·10 ^-3= (M·(π·n)/ 30) · 10^{- 3} ,кВт (7)

ω - угловая скорость вращения долота.

3.5. Классификация бурильных машин.

Бурильные машины могут быть классифицированы по таким показателям:

· область применения;

· назначение;

· способ распушения породы;

· типу конструкции;

· виду потребляемой энергии.

По области применения бурильные машины подразделяются на:

· бурильные машины для подземных работ;

· бурильные машины для открытых работ.

По назначению бурильные машины подразделяются на:

· бурильные машины для бурения шпуров;

· бурильные машины для бурения скважин.

Шпуры обычно имеют диаметр от 35 до 75 мм и длиной до 5 метров. Более глубокие шпуры или шпуры более 75 мм называются скважины.

По способу разрушения и типу конструкции бурильные машины делят на:

· бурильные машины огневого бурения

· бурильные машины термомеханического бурения;

· бурильные машины ударного бурения (перфораторы, станки ударно-канатного бурения);

· бурильные машины вращательного бурения (сверла, сбоечно-буровые, гезенко-бурильные машины, станки с твердосплавным, алмазным и шарошечным инструментом);

· бурильные машины ударно-вращательного бурения (перфораторы с независимым вращением бура, станки с погружными пневмоударниками);

· бурильные машины вращательно-ударного бурения (буровые головк станков типа БУ, СБУ).

По виду потребляемой энергии бурильные машины делятся на:

· электрические;

· пневматические;

· гидравлические;

· комбинированные.

Дата добавления: 2014-10-17