Основы теории разрушения пород при ударном бурении

Основной особенностью ударно-поворотного бурения является жесткая конструктивная связь ударного и поворотного механизмов. По этой причине считалось, что основным показателем, характеризующим работу таких машин, служит ударная мощность. В таком случае скорость бурения должна находиться в прямой зависимости от ударной мощности -основного режимного показателя.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что на скорость бурения оказывает влияние осевое усилие, а также и число ударов, которые также являются режимообразующими параметрами. Поскольку у ударно-поворотных машин происходит зависимое вращение то, вероятно, и число оборотов также можно отнести к режимным параметрам.
Любой разрушающий инструмент (буровая коронка) имеет угол заострения, колеблющийся в широких пределах. Следовательно, при поступательном ударном движении коронка, внедряясь на глубину h в породу своими боковыми гранями, часть ударного усилия, равно как и осевого давления, будет направлено под углом к граням. За счет этого следует ожидать явление скола.
Однако наличие вращательного момента должно обусловливать появление среза, для подтверждения чего В.А. Латышев и А.Д Пашков исследовали механизм разрушения с изменением режимообразующих факторов: P - осевого усилия; е - энергии единичного удара; N - числа ударов; п - числа оборотов коронки; а -минутной ударной работы.
Шпур бурили перфоратором ПР-20 диаметром 45 мм, при площади забоя 15,6 см2 по породе крепостью f=18. Результаты опытов приведены в табл. 2.3.

Снижение энергоемкости процесса под воздействием осевого усилия свидетельствует об изменении механизма разрушения. Смысл этого изменения вытекает из основных законов дробления. В частности, рост энергоемкости говорит о возрастании более мелких фракций шлама и, наоборот, падение энергозатрат означает переход от поверхностного к объемному разрушению, когда общий объем пластических деформаций падает.
Эксперименты показали, что с увеличением осевого давления удельная энергоемкость и количество оборотов бура падают, что, вероятно, объясняется участием в процессе разрушения не только ударной нагрузки, но и усилия крутящего момента, способствующего срезу породы.
В.А. Латышев и А.Д. Пашков систему ударов бура о забой рассматривают как «подготовительные» и «результирующие». Первые образуют на забое шпура сеть макро- и микротрещин, благодаря которой бур способен срезать нарушенную зону даже при относительно малой энергии вращения. Энергия последующих ударов расходуется не на окончательное разрушение трещиноватой зоны, а на выкалывание некоторого объема и развития трещин в прилегающем слое породы.
Рассмотрим с позиций приведенных выше закономерностей между затратами энергии и результатом дробления породы формирование аналогичных связей в зависимости от важнейших параметров процесса при ударно-поворотном бурении.
Под действием силы Руд лезвие бурового инструмента внедряется, сминая породу на глубину h, обратно пропорциональную прочности породы σсж:

где d - длина лезвия, составляющая 1,05-1,08 диаметра шпура;
ε - коэффициент формы лезвия коронки (долота);
α - угол заточки коронки, находится в пределах 90-1200;
fтр - коэффициент трения инструмента о породу;
η - коэффициент затупления лезвия, равный 1,0-1,3.

Под действием силы Руд под клиновидным лезвием коронки (рис. 2.7) возникает сила Т, перпендикулярная оси шпура и вызывающая скалывание секторов породы между двумя очередными ударами коронки:

Эта сила должна преодолевать прочность породы на скалывание σск, тогда:

Величина этой силы тем меньше, чем больше число ударов n коронки за один оборот штанги. Уменьшение числа ударов можно компенсировать увеличением энергии единичного удара.
Оптимальная частота ударов способствует лучшим условиям разрушения породы:

Число ударов долота в минуту связано со скоростью вращения инструмента и оптимальным числом ударов на один оборот:

Главный показатель процесса бурения, скорость выражается как:

При глубине внедрения лезвия коронки h работа одного удара составит:

Величина механической скорости бурения, связанная с работой удара окажется равной:

или

Объем разрушения от силы Руд будет равен:

где в - сторона прямоугольной площадки, см;
σ0 - доля сопротивления раздавливанию породы, вероятно, соответствующая сопротивлению сдвига и равная для слабых пород 0,185 σсж, а для крепких 0,204 σсж;
αо - угол наклона грани призмы давления к направлению силы Руд.
Удельные энергозатраты при ударно-поворотном бурении определяются соотношением:

Приведенные соотношения дают представление об основных параметрах процесса разрушения породы при этом виде бурения, позволяют осознанно управлять их выбором для каждого конкретного случая.

---