БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

Сопротивление породы внедрению резцов будет определяться выражением

где SК − контактная поверхность торцевой части резца; РВ − твёрдость породы на вдавливание.

Во втором случае − при овальной форме резца – может быть использована теория внедрения индентора полусферической формы и схема РГП инструментом раздавливающего действия (рис. 3.65).

Рис. 3.65. Схема работы алмазного резца с полусферической (овальной) формой рабочей части:

1 – матрица; 2 – резец; 3 – элементы пластически деформируемой породы; 4 – слой раздавливаемой породы; 5 – элементы скалываемой породы; 6 – зона предразрушения

Практически площадь контактной поверхности алмазного резца SК или смятия породы торцом алмазного резца имеет небольшую величину, учитывая незначительные размеры зёрен алмазов.

В связи с тем, что торец алмазных резцов любой геометрии, изнашиваясь, приобретает округлую (полусферическую) форму, а при овализации зёрен это делают преднамеренно, с некоторым приближением, величину площадки SК раздавливания породы, в пределах которой будет происходить её разрушение при внедрении резца только под действием осевой нагрузки, можно определить как площадь сегмента полусферы (см. рис. 3.65, а):

где rАЗ − радиус полусферической части алмазного резца; h − глубина внедрения резца; rКП − радиус окружности, ограничивающей контактную поверхность.

где РВ − твёрдость породы, определяемая при вдавливании индентора сферической формы.

181

При перемещении резца в плоскости резания-скалывания и раздавливания, площадь SК и, соответственно, раздавливаемой породы уменьшается вдвое. Тогда сила

Таким образом, условием внедрения резца при РГП в процессе вращения ПРИ будет неравенство

Значения ТПГ и FВ′ могут быть определены по ранее приведённой методике или ими пренебрегают из-за малой величины.

Сила N2 определяется сопротивлением породы разрушению σРП и площадью скалывания-смятия породы передней частью резца при его перемещении в плоскости резания:

где SСК − площадь скалывания породы; σРП − сопротивление породы разрушениюсмятию, резанию-скалыванию.

Таким образом, вторым условием РГП алмазным резцом является:

Практически SСК и σРП в этом процессе величины очень малые и трудно определимы, поэтому их учитывают с помощью некоторого обобщенного коэффициента k. Тогда имеем:

Коль скоро показатели k и f определяют сопротивление породы продвижению резца и представляют некоторую комплексную величину, зависящую от свойств пород, формы и размеров алмазных резцов, а также осевой нагрузки G0, их обычно оп-

По данным проф. В.С. Владиславлева, для коронок с алмазными резцами коэффициент μ при бурении по граниту имеет величину 0,16…0,30, а по песчанику – 0,20…0,36. Для других видов пород этот показатель должен определяться экспериментально, что усложняет практическое использование рассмотренной методики определения условия эффективного применения алмазного ПРИ.

Исследованиями установлено, что основная энергия при вращательном способе РГП алмазным ПРИ расходуется на преодоление сил трения (65−80 %), а остальная (20−35 %) – на собственно разрушение породы.

182

3.5.4. Мощность, затрачиваемая на разрушение горных пород инструментом режуще-раздавливающего действия

Учитывая большую сложность процесса разрушения пород алмазными резцами (раздавливанием, резанием, скалыванием, истиранием и даже самой матрицей), определить мощность, затрачиваемую на разрушение пород, сложно и обычно осуществляется с использованием опытных данных. Для определения мощности, затрачиваемой на разрушение породы инструментом с алмазными резцами, рядом исследователей (И.А. Остроушко (1952), Н.И. Корниловым (1959), О.С. Головиным (1962), В.М. Солтышем (1963), А.С. Карачевым (1964), Ю.А. Бурмистровым (1965), Е.И. Асыченко и И.Ф. Вовчановским (1965), В.Г. Фоминых, СКБ МГ и др.) было предложено множество формул. Но в них, как правило, либо не учитывается целый ряд факторов, влияющих на расход мощности, либо включаются коэффициенты, определение которых слишком сложно, что ограничивает их широкое применение при решении практических задач.

Одной из наиболее полно отражающих сложные условия разрушения пород алмазными резцами по кольцевой площади забоя является формула, предложенная В.Г. Фоминых:

где μК − комплексный коэффициент сопротивления движению ПРИ вдоль плоскости резания; G0 − осевая нагрузка, даН; rСР − средний радиус коронки, см; n − частота оборотов ПРИ, мин–1.

Значения коэффициента сопротивления породы движению инструмента μК, по данным В.Г. Фоминых, изменяются от 0,05 до 0,5 в зависимости от свойств пород, формы и качества алмазных зерен, а также режима работы породоразрушающего инструмента.

Мощность, затрачиваемая на РГП (работу коронки) с алмазным вооружением, может быть определена также по формуле СКБ, приведенной ранее (3.140) [30]. Значения параметров, используемых в данной формуле, приведены в приложени-

ях 1–3.

3.6. Разрушение горных пород инструментом дробяще-скалывающе-раздавливающего действия с вооружением шарошечного типа при вращательном способе бурения

3.6.1. Конструктивные элементы породоразрушающего инструмента и условия его применения

Породоразрушающими инструментами в этом случае являются так называемые шарошечные долота или коронки, рабочим органом которых являются шарошки, вооруженные зубьями или твердосплавными штырями.

Шарошечное долото (рис. 3.66) состоит из корпуса, лап и шарошек, сидящих на цапфах (полуосях), вокруг которых они вращаются при вращении ПРИ.

183

Разрушение породы таким инструментом происходит при его вращении за счет ударов, наносимых зубьями перекатывающихся шарошек и действия осевой (статической) нагрузки. В связи с этим такой способ разрушения пород может быть назван вращательно-ударным, отличающимся от ударно-вращательного механизмом процесса разрушения породы и динамикой движения ПРИ.

Рис. 3.66. Конструктивные элементы шарошечного долота:

1 – лапа; 2 – шарошка; 3 – цапфа (полуось); 4 – опорные подшипники; 5, 6, 7 – зубья; 8 – присоединительная резьба; 9 – циркуляционный канал; 10 – гидромониторная насадка

При этом способе реализуются ударная и осевая нагрузки, за счет действия которых происходит дробление-скалывание, смятие-раздавливание и только частично − резание породы (при определенных конструктивных параметрах ПРИ).

Рабочим органом такого ПРИ являются шарошки, вооруженные породоразрушающим элементами (ПРЭ).

Шарошки могут иметь различную форму: коническую, цилиндрическую, сферическую, дисковую или комбинированную. Наибольшее применение нашли конусные шарошки, характеризующиеся определенными геометрическими параметрами (рис. 3.67): углы конусов шарошки 2β, β1, β2, β3 и т. д.; длина образующих конусов l1, l2, l3, l4; высота шарошки L; диаметр шарошки DШ. Заостренная часть конуса шарошки называется вершиной, а плоская (основание конуса) − тыльной частью шарошки.

Породоразрушающими элементами (ПРЭ) шарошек являются зубья или твердосплавные вставки (штыри).

Зубья шарошек могут иметь различную геометрическую форму и параметры. Наиболее типичной формой является клиновая с площадкой притупления на вершине

184

Рис. 3.67. Конструктивные элементы многоконусной шарошки

зуба (рис. 3.68). Конструктивными элементами зуба такой формы являются: грани − наружная 1 и внутренняя 3, набегающая 4 и сбегающая 5; площадка притупления 2.

Зубья шарошек характеризуются также определенными параметрами: α − угол приострения зуба; a − ширина площадки притупления; b − длина зуба; Ha, Hb − высота зуба относительно наружного и внутреннего конусов шарошки; m − ширина зуба у основания.

Рис. 3.68. Конструктивные элементы и параметры зубьев шарошки:

1 – наружная грань зуба;

2 – площадка притупления;

3 – внутренняя грань зуба; 4, 5 – набегающая и сбегающая грани зуба

Твердосплавные вставки имеют форму цилиндра с плоским, клиновым или полусферическим торцом. Параметрами таких породоразрушающих элементов являются: диаметр, высота, угол приострения или радиус сферической поверхности торца (рис 3.69).

185

Рис. 3.69. Схема разрушения породы твёрдосплавными вставками шарошки

Располагаются породоразрушающие элементы на поверхности шарошек венцами (концентрическими рядами) 1, 2, 3 (рис. 3.70). Обычно каждый конус многоконусной шарошки имеет свой венец, между которыми выдерживается определенное межвенцовое расстояние MВ. Расстояния между зубьями S подбираются в зависимости от характеристики пород, для разрушения которых предназначается ПРИ. От этих параметров существенно зависит механическая скорость бурения vМ

(рис. 3.71).

Рис. 3.70. Схема размещения зубьев венцами:

1, 2, 3 – зубья первого, второго и третьего венцов; I, II, III – номера шарошек в долоте

186

Рис. 3.71. Графики зависимости Vм при бурении гранита от величины межвенцовых расстояний Мв и шага зубьев S или диаметра d твердосплавных вставок зубьев цилиндрической формы

Разрушение породы по всей площади забоя обеспечивается зубьями при вращении ПРИ, расположенными на шарошках I, II, III с определенным смещением венцов (см. рис. 3.70). Кроме этого, с целью повышения эффективности РГП по всей площади забоя радиальное расположение зубьев делается с некоторым перекрытием зон РГП при нанесении ударов (рис. 3.72).

Рис. 3.72. Схема поражения зубьями забоя шарошек I, II, III

Степень перекрытия характеризуется коэффициентом перекрытия KП, который определяется отношением общей суммы длины зубьев ∑bi, расположенных по образующей конусов шарошек, одновременно действующих на забой в определенный момент времени, к длине воображаемой линии контакта зубьев шарошек с забоем L:

187

Для одноконусных шарошек KП = 1,5−1,9, для многоконусных – KП = 0,7−1,2. Таким образом, степень перекрытия забоя зубьями зависит от межвенцовых

расстояний МВ и величины шага − расстояния S между зубьями.

Твердосплавные зубья (вставки) располагаются также концентрическими венцами по определенной схеме, обеспечивающей равномерное поражение забоя при вращении ПРИ.

Важным конструктивным элементом для шарошечного ПРИ является расположение шарошек в корпусе долота, в частности, положение осей вращения шарошек относительно оси вращения долота (угол φ) и в проекции на плоскость забоя (рис. 3.73). При этом положение осей вращения шарошек в проекции на плоскость забоя может быть симметричным − без пересечения их вершин с осью скважины (рис. 3.73, а) или со смещением на величину KC и «вылетом» вершин шарошек f относительно оси вращения ПРИ (рис. 3.73, б), от чего зависит механизм движения шарошек по забою и механизм разрушения горной породы.

Рис. 3.73. Схемы расположения шарошек относительно оси вращения долота:

а– без смещения осей вращения;

б– при смещении осей вращения шарошек

При смещении осей вращения шарошек возникает их кратковременное проскальзывание (движение по забою без вращения), в связи с чем зубья работают как резцы, срезая (скалывая) элементы породы.

188

3.6.2. Основы теории РГП инструментом ДрСкРаД при вращательном способе бурения

При вращении ПРИ шарошечного типа возникают ударные импульсные нагрузки вследствие его конструктивных особенностей при перекатывании шарошек, имеющих вооружение (ПРЭ) в виде зубьев или штырей (твердосплавных вставок).

При перекатывании шарошек зубья наносят по забою удары с достаточно большой силой, что и приводит к РГП. Это происходит в результате сложного процесса движения долота и шарошек, при котором каждая шарошка в определенный момент времени опирается то на один, то на два зуба в плоскости сечения одного венца (рис. 3.74). При этом происходит вертикальное периодическое перемещение

Рис. 3.74. Схемы разрушения породы зубьями перекатывающейся шарошки с большим шагом S (а) и с оптимальной величиной шага S1 (б):

I, II, III – три положения шарошки при её вращении;

1, 2 – зоны скалывания элементов породы; 3 – зоны раздавливания породы

189