Экспериментальное исследование влияния параметров ударной системы на разрушение гранита

4. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 272 с.

5. Исследование влияния распространения волн деформаций по бурильной колонне и параметров буровых агрегатов на производительность вращательно-ударного бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок / А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, А.А. Казанцев // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - М. -2010. - № 11. - С. 232-238.

6. Исследование возможностей вращательно-ударного способа бурения для разведочных скважин малого диаметра из подземных горных выработок / А.В. Шадрина, Л.А. Саруев // Известия вузов. Геология и разведка / РГГРУ. - М. - 2012. - № 5. - С. 62-66.

УДК 622.24 © А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, 2013

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ НА РАЗРУШЕНИЕ ГРАНИТА

Приведены методика и результаты экспериментальных исследований разрушения гранита при ударно-поворотном нагружении. Проведена оценка влияния параметров ударной системы на эффективность разрушения горной породы.

Ключевые слова: удельная энергоёмкость, гранит, удар, боёк, предударная скорость бойка, угол поворота инструмента, буровая коронка.

Исследованиями оценки энергоёмкости разрушения горных пород занимались многие ученые [1-6]. Некоторая разноречивость данных о степени влияния параметров ударной системы, а также типа породоразрушающего инструмента на эффективность разрушения породы вызвали постановку данного экспериментального исследования на примере гранита.

Исследование проводилось на экспериментальной копровой установке, на которую крепились цилиндрические бойки (табл. 1). Удары наносились по штанге с закреплённой на ней штыревой, крестовой или долотчатой коронкой. Воздействие удара направлялось на гранитный блок.

Таблица 1

Параметры бойков

№ Обозначение Длина, мм Диаметр, мм Масса, кг

1 С1 350 35 2,50

2 С2 450 45 5,49

3 С3 700 35 5,47

4 С4 253 75 8,32

Варьируя высоту сбрасывания цилиндрических бойков, обеспечивались предударные скорости 5 и 7 м/с. Высота сбрасывания фиксировалась на рейке. Энергия удара изменялась от 31,25 до 207,35 Дж.

В ходе эксперимента оценивалось влияние формы коронки, предударной скорости бойка, его размеров, массы, а также угла поворота бурового инструмента на величину объёма разрушенной породы, углубку скважины и энергоёмкость разрушения.

Разрушенный серией ударов гранит взвешивался на аналитических весах. Далее производилось определение объёма разрушенной породы как отношения среднего значения веса разрушенного гранита, приходящегося на один удар к его удельному весу.

Обработка экспериментальных материалов проводилась методами математической статистики, в том числе, с помощью множественного регрессионного анализа.

Результаты экспериментальных исследований приводят к следующим выводам.

Полученные значения энергоёмкости разрушения гранита коррелируют с данными других авторов [1, 2, 4].

Воздействие фактора предударной скорости бойка 5 и 7 м/с даёт практически одинаковый результат.

Результаты, представленные на рис. 2 позволяют говорить о сохранении тенденции уменьшения энергоёмкости разрушения гранита при увеличении энергии единичного удара: для каждого бойка (от С1 - самого лёгкого до С4 - самого тяжёлого) крестовой коронке соответствует большее значение энергоёмкости разрушения, долотчатой - меньшее. Однако можно заметить, что параметры бойков и формируемых ими силовых импульсов вносят в эту закономерность свои коррективы.

Рис. 2. Зависимости энергоёмкости разрушения гранита от величины удельной энергии удара при угле поворота 20° и предударных скоростях бойка 5 и 7 м/с

а

Энергоёмкость разрушения, Дж/см5

420,000

-»-20 •-30

Обозначениебойков

.5 Дж 68,5 Дж 103,7 Дж

б

Энергоёмкость разрушения, Дж/см3

420,000

370,000

270,000

-20 -30 40

С1 С2 СЗ С4 Обозначениебойков

61,25 Дж 134,26 Дж 134,26 Дж 203,35 Дж

Рис. 3. Зависимости изменения удельной энергоёмкости разрушения гранита различными бойками (С1-С4) при углах поворота ПРИ, равных 20°, 30° и 40 ° долотчатая коронка: а - предударная скорость бойка 5 м/с; б - предударная скорость бойка 7 м/с

В работе [4] указывается, что объём разрушенной породы растёт с увеличением ударника до 475 мм, дальнейшее увеличение длины ударника не приводит к заметному росту объема разрушенной

Энергоёмкость разрушения, Дж/см3

31.25 Дж 68,5 Дж 68,5 Дж 103,7 Дж

б

Энергоёмкость разрушения, Дж/см3

Рис. 4. Зависимости изменения удельной энергоёмкости разрушения гранита различными бойками (С1-С4) при углах поворота ПРИ, равных 20°, 30° и 40 ° крестовая коронка: а - предударная скорость бойка 5 м/с; б - предударная скорость бойка 7 м/с

породы. В наших экспериментах данный вывод подтверждается только для штыревой коронки. Для долотчатой и крестовой коронок с увеличением длины бойка до 700 мм объём разрушенного гранита уменьшается от 5 до 13 %, соответственно увеличивалась и энергоемкость разрушения (рис. 2).

При постоянной массе и предударной скорости боёк с большей длиной (С3) дает более продолжительный по переднему фронту силовой импульс, но меньшей силы.

Для штыревой коронки согласно результатам статистической обработки полученных экспериментальных материалов величина длительности переднего фронта силового импульса не влияет на энергоёмкость разрушения гранита, в отличие от крестовой и долотчатой. Можно предположить, что длина ударника 700 мм является чрезмерной по аналогии с экспериментами

Иванова К.И. Это приводит к увеличению доли отражённой энергии удара, при неиспользованной хвостовой части силового импульса и, соответственно, к повышению энергоёмкости разрушения горной породы.

Влияние угла поворота коронки между единичными ударами на энергоёмкость разрушения установлено для крестовой и долотчатой коронок (рис. 3, 4). Очевидно, проявление закономерностей обусловлено различными условиями скалывания. Для крестовой коронки практически для всех бойков, при угле поворота 40° отмечается наименьшее значение энергоёмкости разрушения. Для долотчатой коронки при малой энергии удара (31,25 Дж) рациональным является угол поворота ПРИ после удара в 20°. В целом увеличение энергии удара приводит к увеличению рационального угла поворота ПРИ после удара. Для штыревой коронки воздействие данного параметра не установлено.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород / Б.Н. Кутузов. - М.: Недра, 1973. - 312 с.

2. Пневмоударное бурение разведочных скважин / И.В. Куликов, В.Н. Воронов, И.И. Николаев. - М.: Недра, 1989. - 239 с.

3. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин / М.Р. Мавлютов. - М.: Недра, 1978. - 215 с.

4. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых / К.И. Иванов, В.А. Латышев, В. Д. Андреев. - 3-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 272 с.

5. Шелковников И.Г. Использование энергии удара в процессах бурения / И.Г. Шелковников. - М.: Недра, 1977. - 160 с.

6. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах / О. Д. Алимов, В.К. Манжосов, В.Э. Еремьянц. - М.: Наука, 1985. - 357 с.