автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров породоразрушающего инструмента и гидравлической ударной машины для бурения скважин в горных породах

На правах рукописи

Тимонин Владимир Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ УДАРНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Специальность 05.05.06 «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003470016

Новосибирск - 2009

003470016

Работа выполнена в Учрежден™ Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор

Опарин Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Чанышев Анвар Исмагилович

доктор технических наук, профессор Суворов Дмитрий Григорьевич

Ведущая организация - филиал «Центра горно-геологического оборудования» ФГУГП «Урангео»

Защита состоится «19» июня 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИГД СО РАН. Автореферат разослан «18» мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Применение погружных гидроударных машин при бурении скважин существенно улучшает показатели эффективности бурения: повышается процент выхода керна, возрастает скорость бурения, снижаются энергозатраты и стоимость, уменьшается влияние структурных особенностей геологического разреза на эффективность бурения. Гидроударники обеспечивают хорошее сохранение заданного направления скважины, что обусловлено ударным методом разрушения породы на забое, большой жесткостью снаряда, небольшой величиной разработки ствола скважины по диаметру и высокой механической скоростью бурения. Однако, распространенные во всем мире погружные гидроударники используют кинетическую энергию жидкости для преобразования ее в удар и являются машинами динамического типа. Они имеют высокий непроизводительный расход рабочей жидкости, приводящий к размыву стенок скважины в неустойчивых зонах слабых пород, а также низкие значения к.п.д. и энергии удара, недостаточные для реализации эффективного бурения крепких горных пород. Улучшение этих показателей возможно путем создания принципиально новых гидроударников, основанных на использовании потенциальной энергии рабочего тела, т.е. гидрообъемных машин. Они обладают потенциально более высокими энергетическими парамеграми и технологическими возможностями.

Самым распространенным и наиболее перспективным породоразрушаю-щим буровым инструментом на сегодня является штыревой. Известно, что при использовании штыревого инструмента происходит значительное снижение энергоемкости процесса бурения, но при этом требуется приложение определенной энергии к штырю. Поэтому при создании высокоэффективной гидрообъемной погружной ударной машины актуальной задачей является согласование энергии удара с конструктивными параметрами бурового инструмента. Это предполагает проведение экспериментальных исследований, направленных на определение достаточной энергии удара, обеспечивающей объемное разрушение породы при минимальных энергозатратах, и поиск рационального расположения штырей в буровом инструменте.

Целью диссертационной работы является обоснование рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров бурового инструмента и принципиальной конструктивной схемы погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости.

Идея работы заключается в применении объемного привода в погружной гидравлической ударной машине, а также расположении штыревых инденторов породоразрушающего инструмента в соответствии с условиями обеспечения бурения с минимальной энергоемкостью.

Объект исследования - гидравлическая ударная машина с объемным приводом и геосреда при их взаимодействии.

Предмет исследований - характер взаимодействия инденторов породоразрушающего инструмента с геосредой, рабочий цикл гидравлической ударной машины.

Задачи исследования:

- установить закономерность изменения энергоемкости процесса разрушения горной породы от геометрических параметров вооружения штыревого породоразрушающего инструмента и разработать практические рекомендации по их использованию при проектировании инструмента;

- обосновать принципиальную схему погружной гидравлической ударной машины и экспериментально определить рациональные соотношения площадей рабочих элементов машины для её работы в широком (0,5-4,0 МПа) диапазоне давлений энергоносителя;

- испытать экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины в стендовых условиях, уточнить её рациональные настройки;

- разработать методику расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины с целью обеспечения минимальной энергоемкости процесса разрушения горной породы.

Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области создания гидравлических ударных машин и породоразрушающих инструментов к ним; экспериментальные исследования процесса динамического внедрения инденторов в породу и рабочего цикла погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом с применением современных методов и технических средств.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. При ударном взаимодействии геоматериала (мрамор, гранит) с инструментом, оснащенным разрушающими инденторами со сферической торцевой поверхностью, не зависимо от количества инденторов в группе (от 1 до 3 шт.) и расстояния между ними (15-25 мм) существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение материала с минимальной энергоемкостью.

2. Для оценки рационального расположения породоразрушающих инден-торов по торцу инструмента и энергетического воздействия на него следует использовать безразмерный энергетический критерий возникновения волн маятникового типа и квазирезонансных явлений в массиве горных пород, зона минимальных значений которого совпадает с зоной минимальной энергоемкости разрушения породного массива.

3. Устойчивая работа гидравлической ударной машины с одной управляемой камерой и автономной системой её питания-разрядки на всем пути движения ударника при давлении энергоносителя в напорной магистрали в диапазоне 0,5-4,0 МПа обеспечивается соотношением рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала 0$>о5х ' 5икР ) / (5разр ' ¿>'пр х ) = 1,2-1,8, при ^закр. / 5разр. = 4,0—5,0.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.

Научная новизна диссертации:

- установлены условия ударного разрушения горной породы с минимальной энергоемкостью и безразмерный энергетический критерий разрушения породного массива при бурении скважин, позволяющий оценить эффективность использования энергии удара, подведенной к забою;

- установлено совпадение безразмерного энергетического критерия оценки разрушения породного массива и энергетического условия возникновения волн маятникового типа, что свидетельствует о возникновении в зоне минимальной энергоемкости разрушения породы геомеханических квазирезонансных явлений;

- экспериментально доказана работоспособность гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины путем сохранения площади сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника;

- определены рациональные геометрические соотношения размеров основных элементов системы распределения энергоносителя, оказывающие наибольшее влияние на устойчивость работы гидравлической ударной машины, и разработан метод расчета ее основных характеристик и параметров породораз-

рушающего инструмента, обеспечивающие бурение скважин с минимальной энергоемкостью.

Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования особенностей процесса разрушения горных пород при динамическом вдавливании группы инденторов, оценке процесса разрушения с точки зрения нелинейной геомеханики; в обработке и интерпретации экспериментальных данных; в разработке конструкции погружной гидравлической ударной машины.

Практическая ценность работы:

- разработана методика расчета погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней для обеспечения бурения скважин с минимальной энергоемкостью в породах средней и высокой крепости;

- создан и опробован экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины, позволяющий максимально полно использовать энергию рабочей жидкости.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на третьей международной конференции «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», Новосибирск, 2006 г., 2008 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2007 г.; работа диссертанта отмечена в номинации «Лучшие аспиранты РАН 2007 года».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 129 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 85 наименований; содержит 36 рисунков, 24 таблицы.

Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору В.Н. Опарину за помощь при выполнении работы и осмыслении результатов проведенных исследований, д.т.н., профессору Б.Н. Смоляницкому за отеческую поддержку и внимание, к.т.н. A.A. Липину за научную поддержку. Отдельную благодарность хочется выразить всем сотрудникам лаборатории бурения ИГД СО РАН.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и идея работы, научная новизна и практическая ценность, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Состояние вопроса и задачи исследования» - представлен обзор способов бурения и примеры их реализации пневматическими и гидравлическими машинами ударного действия. Анализ исследований, проведенных H.A. Беланом, Г.В. Арцимовичем, Л.Э. Графом, Е.Ф. Эпштейном, К.И. Ивановым, Б.М. Ребриком, А.И. Федуловым и др., позволил оценить достоинства и недостатки гидравлического и пневматического привода ударных машин и сделать вывод о том, что наиболее рациональным типом импульсного породоразрушающего устройства является гидрообъемное.

Выполнен анализ современных требований к породоразрушающему инструменту для бурения скважин погружными машинами ударного действия с различными энергоносителями. Существенный объем исследований в данном направлении был выполнен P.M. Эйгелесом, Г.В. Арцимовичем, В.Д. Андреевым, М.Р. Мавлютовым, H.H. Павловой, Л.И. Бароном, JT.A. Шрейнером, О.Д. Алимовым, Б.А. Жлобинским. Ими установлены основные параметры породоразрушающего инструмента, которые в наибольшей степени влияют на эффективность разрушения массива. Однако степень их влияния различными учеными оценивается по-разному, и однозначного решения проблемы рационального размещения породоразрушающих инденторов по торцу бурового инструмента нет. Также однозначно не установлены условия ударного разрушения горных пород с минимальной энергоемкостью инструментом штыревого типа. В связи с этим сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе - «Определение рациональных параметров породоразрушающего инструмента» - представлены результаты физического моделирования процесса внедрения твердосплавных породоразрушающих штырей в горную породу под действием ударной нагрузки, проведенного на специально созданном стенде.

Стенд (рисунок 1) состоит из станины 1, установленного на ней генератора ударных импульсов 2, оснащенного специальным породоразрушающим инструментом, плиты 3 с закрепленным на ней блоком 4 исследуемого материала, имитирующего породный массив. В качестве генератора ударных импульсов был использован пневмоударник П105 Кыштымского машиностроительного

завода с конструктивными изменениями, позволяющими наносить единичный удар по инструменту. В качестве модели породоразрушаю-щего инструмента были применены коронки с одним штырем, двумя штырями на расстояниях 15, 20 и 25 мм друг от друга, а также с тремя штырями, расположенными в углах равносторонних треугольников со сторонами 15, 20 и 25 мм по торцу инструмента (рисунок 2).

- *А ?

Рисунок 1 - Стенд для исследования параметров породоразрушающего инструмента

Эксперименты по физическому моделированию динамического внедрения твердосплавных породоразрушаю-щих штырей в горную породу проводились на

Рисунок 2 - Породоразрушающий инструмент, ис- блоках из органического пользовавшийся в экспериментах: с одним штырем (а), с

двумя штырями (б), с тремя штырями, расположенными в С1'екла' мрамора и гра-

углах равностороннего треугольника (») нита.

Цель экспериментов - определить условия получения объемного разрушения геоматериатов, установить обеспечивающие эти условия параметры рабочего инструмента и энергетического воздействия на него.

Индентор представлял собой стандартный цилиндрический штырь диаметром 10 мм со сферической формой породоразрушающей поверхности, выполненный из твердого сплава ВК-8.

Эксперименты проводились в несколько этапов:

- динамическое внедрение одного индентора;

- внедрение инструментов, оснащенных двумя инденгорами с расстоянием между их осями 15, 20 и 25 мм, соответственно;

- внедрение инструментов с тремя штырями, расположенными в углах равносторонних треугольников со сторонами 15, 20 и 25 мм по торцу, соответственно;

- внедрение в поверхность мраморного блока одного твердосплавного штыря, последовательно устанавливаемого в вершины равностороннего треугольника со стороной 25 мм, при этом общая энергия, переданная индентору за три удара, равнялась энергии, обеспечивающей разрушение геоматериала с минимальной энергоемкостью при одновременном динамическом вдавливании такого же количества инденторов в заданном расположении.

Диапазон изменения энергии удара (20-150 Дж) при динамическом вдавливании охватывал значения, при которых не происходило заметных изменений механических свойств геоматериалов во вдавливаемой точке поверхности образца породы, и значения, которые кратно превышали уровни энергии, применяемые на практике. Это позволило оценить не только достигнутый уровень эффективности разрушения горных пород при проходке скважин, но и сделать оценку возможности и целесообразности дальнейшего повышения энергии удара машин. Уровень энергии удара определялся по диаграммам давлений энергоносителя в рабочей камере генератора импульсов с использованием теоремы Б.В. Суднишникова о движении массы под действием силы, заданной в функции времени. Он обеспечивался изменением давления воздуха в магистрали.

Оценка эффективности использования подводимой энергии осуществлялась по энергоемкости разрушения

где А}д - энергия удара ударника, Дж; V - объем разрушенной породы, м3.

Известно, что процесс разрушения породы и его энергоемкость в большой мере определяются удельной нагрузкой на забой скважины, поскольку с изменением ее величины может происходить либо усталостное, либо менее энергоемкое объемное разрушение геоматериала. Поэтому определение условий получения объемного разрушения и установление обеспечивающих эти условия параметров рабочего инструмента в сочетании с рациональным энергетическим воздействием является ключевой задачей повышения эффективности бурения.

Под рациональным энергетическим воздействием здесь понимается минимально необходимое и достаточное по энергетическим показателям воздействие породоразрушающего органа машины на забой скважины для того, чтобы эффективно осуществлялся процесс разрушения породного массива без переизмельчения горной породы.

В качестве критерия эффективного объемного разрушения горной породы рассмотрен безразмерный энергетический критерий В.Н. Опарина в представлении (2):

где М- масса пород очаговой зоны объемного разрушения; ьр - скорость продольной волны для соответствующего типа пород объемом V (М = р ■ V, р -плотность пород); 0 и у - коэффициенты с положительными значениями, лежащими в достаточно ограниченном диапазоне; IV - энергетическая характеристика очаговой зоны разрушения, которая может иметь различное представление в зависимости от использования той или иной «априорной» информации.

Возникновение волны маятникового типа происходит лишь при внешних энергетических воздействиях IV, при которых в е 1 4, у = 9.

Для очаговых зон землетрясений или горных ударов практически всех энергетических классов, Ж- это значение излучаемой сейсмической энергии из соответствующих этим зонам породных объемов (V). Какая доля накопленной потенциальной энергии По в очаге при этом излучается в виде сейсмической энергии - вопрос в значительной мере открытый, хотя многие исследователи полагают, что ее можно оценивать по значению коэффициента а - сейсмического действия подземных взрывов соответствующей энергии (отвечающей сравниваемому классу землетрясения или горного удара), т.е. ¡V = а (V) -11

Как видно из таблицы 1, возрастание энергии взрывов на три порядка приводит к возрастанию коэффициента сейсмического действия подземных взрывов лишь на один порядок. Поэтому можно ожидать, что при механическом разрушении горных пород для Ео ~ Ю3 Дж значение коэффициента а составляет а= 1,5 ■ ЮЛ

Выполненные эксперименты позволили дать оценку коэффициента а (в данном случае импульсного породоразрушающего воздействия механического инструмента на горный массив), а также определить рациональное расположение инденторов на рабочей поверхности породоразрушающего бурового инструмента.

По результатам экспериментов построены графики, отображающие зависимость энергоемкости процесса разрушения от энергии единичного удара для каждой комбинации инденторов. На рисунке 3, для примера, приведены зависимости энергоемкости процесса разрушения от энергии единичного удара для инструментов, вооруженных тремя породоразрушающими штырями при различных расстояниях между ними.

Таблица 1 - Динамические параметры очагов коровых землетрясений и подземных взрывов по М.А. Садовскому

Г, кТ Ей, эрг Ус, см3 км Расчетный коэффициент сейсмического действия подземных взрывов, %

эрг я, для любых пород «ь для рыхлых пород 02, для средних и плотных пород

1 4,2-10" 17,0-16,6 6,ЗОЮ13 0,7 0,15 0,10 0,3

16,8

10 4,2-10м 18,4-17,8 1,25-10и 1,8 0,30 0,15 0,8-1,0

18,1

100 4,2-1021 19,8-19,0 2,50-Ю16 5,0 0,60 0,20 2,0-4,0

19,4

1000 4,2-1022 21,2-20,2 5,0010" 13,5 1,20 0,30 3,0-5,0

20,7

Примечание: 1) черта над математическими символами - средние величины; 2) в числителе -диапазон 1ц Ес для плотных и рыхлых пород.

В таблице: ¥-мощность взрыва, кТ; Е0- полная энергия очаговой зоны землетрясений, эрг; Ес - сейсмическая энергия, эрг; Ус - объем очаговой зоны землетрясений, см3; I - длина разрыва, км.

а б

ВО 100 120 Энергия удара, Дж_

5.0

Л

4,0

г %

о 4,0

5 ц.

X 2,0

X

I 3 1,0

о. 0.0

70 30

Энергия удара, Дж

50 100

Энергияудара, Дж

70 90 110 Энергия удара, Дж_

Энергия уд:ра, Дж

70 120

Энергия удара, Дж

Рисунок 3 - Зависимости энергоемкости разрушения от энергии единичного удара ударника для гранита (а) и мрамора (б) при вооружении породоразрушающего инструмента тремя штырями на расстоянии 15,20 и 25 мм друг от друга

11

На рисунке 4 приведены графики зависимостей энергетического критерия к от энергии единичного удара ударника при его воздействии на инструмент, вооруженный тремя породоразрушающими штырями. При этом использовалась формула (2) в ее модифицированном к условиям эксперимента варианте:

= кг', (3)

Р-У-Ор

где Е0 - подводимая на разрушаемую поверхность энергия от породоразру-шающего инструмента.

Значения р, V, ор для испытуемых геоматериалов определялись экспериментально.

Анализ результатов экспериментов показал, что при в е 1 -М, у = 9 коэффициент я принимает значение, равное 1,5 • 10~б. Учитывая приведенный выше прогноз порядковых величин для а (путем экстраполяции табличных данных М.А. Садовского), это значение а является удовлетворительным.

а б

15

20

25

В 5,5

£ 5,0

¿а 4,5

>

Ч >¿4,0

« г 3,0

« х 2,5

I 2,0

Энергия удара, Дж

6,0

Ь.5

• 5,0

Й«

„?4.0

?3.5

*г,о

г

90 140

Энергия удара. Дж

0

1 5'5 I «,5.0

I "Л5

113-0 5 2.0

О 4,5

а « $3,5

а Ц2.В

ю (г ф 61.5

X

X 0,5

у*-11№-4 ¡<Г">*3-ИУ*>

80 «О Энергия удзрэ, Дж_

5 1.5

И«

И*

11« 2 0,5

Энергия удара, Дж

| «,5 а •

|3з,5

И»

11«

д X

80 130 Энергия удара, Дж_

Рисунок 4 - Зависимости безразмерного энергетического критерия к от энергии единичного удара ударника для гранита (а) и мрамора (б) при вооружении породоразрушаю-шего инструмента тремя штырями на расстоянии 15,20 и 25 мм друг от друга

Таким образом установлено, что:

- для всех исследованных параметров вооружения породоразрушающего инструмента энергоемкость разрушения геоматериала с ростом энергии удара падает до определенного порогового значения, после которого начинает расти, рисунок 3;

- при равном количестве штырей минимальная энергоемкость разрушения породы является практически постоянной величиной; для гранита значение минимальной энергоемкости при различных расстояниях между штырями составило (1,5-1,8)-108 Дж/м3, для мрамора - (0,8-1,2)' 108 Дж/м3; использование этой характеристики процесса разрушения представляется весьма перспективным для расчета количества инденторов и определения их расположения по торцу породоразрушающего инструмента, при заданных энергетических характеристиках погружной ударной машины и количестве устанавливаемых в буровой инструмент штырей;

- при поочередном внедрении инденторов энергоемкость разрушения геоматериалов существенно выше, чем при одновременном вдавливании группы инденторов, что может свидетельствовать о взаимодействии полей напряжений соседних по группе инденторов, рисунок 5.

20 25

Расстояние между штырями, мм

Рисунок 5 - Сравнение энергоемкости разрушения мрамора тремя ииден-торами на расстоянии 25 мм при одновременном вдавливании группы и поочередном внедрении индентора в вершины того же треугольника

С учетом критерия минимизации энергозатрат экспериментально установлены зависимости необходимой для разрушения гранита и мрамора энергии единичного удара машины от межцентрового расстояния между инденто-рами при разрушении пород группой из трех породоразрушающих штырей:

для мрамора Е = (0,7х2 - 22,5л + 245) п, (4)

для гранита Е = (ОД*2 - 5х + 140) п, (5)

где х - расстояние между инденторами в группе из трех штырей, мм; Е~ энергия единичного удара ударника, Дж; п - количество групп инденторов по торцу породоразрушающего инструмента.

При проектировании породоразрушающих инструментов по этим зависимостям рекомендуется определять расстояния между инденторами, сформированными в группы из трех породоразрушающих штырей. Для других материалов аналогичные зависимости необходимо получить.

В третьей главе - «Обоснование параметров погружной гидравлической ударной машины» - приведен анализ принципиальных схем и конструкций погружных и выносных гидравлических ударных машин на основе данных, представленных О.Д. Алимовым, В.Б. Войцеховским, В.Ф. Горбуновым, В.Э. Еремьянцем, Д.Н. Ешуткиным, А.Ф. Кичигиным, А.Г. Лазуткиным, В.К. Манжосовым, Г.Г. Пивнем, JI.C. Ушаковым, А.И. Федуловым, И.А. Янценым и другими исследователями. На основе анализа впервые предложена конструкция погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и пружинным аккумулятором (рисунок 6). От известных машин её отличает оригинальная конструкция распределительной системы питания-разрядки управляемой камеры рабочего хода ударника, включающая дифференциальный клапан, обеспечивающий подачу в камеру рабочего хода рабочей жидкости на всем пути движения ударника в фазе прямого хода. Это обеспечивает разгон ударника до необходимой предударной скорости, а также принудительную разрядку (вытеснение жидкости) камеры рабочего хода в фазе обратного хода, позволяющую двигаться ударнику с минимальным противодавлением со стороны камеры обратного хода, тем самым, сокращая обратный ход ударника без потери энергии удара и увеличивая частоту ударов работы машины. Наличие в пружинном аккумуляторе обратной связи обеспечивает работу пружин с постоянной нагрузкой, вне зависимости от глубины бурения и высоты столба жидкости над машиной.

Реализация этой схемы осуществлена в экспериментальном образце одного из самых распространенных типоразмеров, обеспечивающем бурение скважин диаметром 110 мм и глубиной до 200 м в породах средней и высокой крепости. При этом из конструктивных соображений диаметр корпуса принят равным 93 мм, а расход рабочей жидкости (вода) - 50-120 л/мин.

В четвертой главе - «Экспериментальные исследования погружной гидравлической ударной машины» - описаны стендовые испытания опытного образца погружной гидравлической ударной машины, изготовленной по предложенной схеме (рисунок 6).

Стендовая установка для экспериментального определения энергетических параметров опытного образца погружной гидравлической ударной машины представлена на рисунке 7.

1 - сливной тракт; 2 - пазы в гильзе; 3 - ударник; 4 - шток; 5 - канал в штоке; 6 -канал в переходнике; 7 - переходник; 8 - клапан; 9 - паз в гильзе; 10 - камера прямого хода; 11 - гильза; 12 - камера обратного хода; 13 - корпус; 14 - наковальня; 15 - шток аккумулятора; 16 - переходник аккумулятора; 17 - поршень аккумулятора; 18 - корпус; 19 - пружина; 20 - гильза; 21 - упор; 22 - заглушка; 23 - переходник

Рисунок 6 - Схема погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и пружинным аккумулятором

Экспериментальный стенд состоит из массивной станины 1, установленной на фундаменте 2 и закрепленной на нем анкерными болтами. На станине смонтировано прижимное устройство 3 с пневматическим приводом, обеспечивающее прижим гидравлической ударной машины 4. Образец устанавливался на энергопоглотитель 5. Рабочая жидкость подавалась к гидроударнику через переходник 6 от насоса марки АНБ-22. Для регистрации давления в камерах погружной гидравлической ударной машины использовались пьезоэлектрические датчики 7 серии Т-500-2, передающие электрический заряд через сетевой микропроцессорный одноканальный усилитель заряда типа 5011 на ана-логово-цифровой преобразователь Е 14-140.

Регистрация значений измеряемых параметров осуществлялась на персональном компьютере с использованием программных средств Ь-СгарЬ.

Экспериментальное исследование опытного образца включало в себя: проверку работоспособности гидравлического ударного механизма при различной производительности насоса с целью качественной оценки рабочего процесса (получение диаграмм давление-время) и количественного определения его ос-

15

Рисунок 7 - Стенд для экспериментального исследования погружной гидравлической ударной машины

новных параметров (энергии и частоты ударов, расхода рабочей жидкости, времени прямого и обратного хода ударника); определение влияния рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала на устойчивость работы погружной гидравлической ударной машины в диапазоне давлений энергоносителя 0,5-4,0 МПа в напорной магистрали.

Диаграмма изменения давлений в рабочих камерах погружной гидравлической ударной машины в установившемся режиме работы при подаче рабочей жидкости 90 л/мин представлена на рисунке 8. Она свидетельствует об устойчивой работе системы, то есть без ощутимых сбоев и нарушений рабочего цикла. Анализ диаграмм позволяет отметить, что при осуществлении подачи рабочей жидкости в машину, в магистрали отсутствуют пики давления, тогда как в камере обратного хода они достигают трех-пяти кратных значений величины рабочего давления. Это свидетельствует о нормальном функционировании аккумулятора, который эффективно гасит возникающие пики давлений в напорной магистрали.

Детальное рассмотрение процесса обратного хода ударника позволило выделить характерные участки его движения. Начальный участок - характеризует процесс разрежения в камере прямого хода. Основной участок - начало которого отмечается скачком давления в камере прямого хода в результате набегания ударника на шток переходника и резкого уменьшения площади сливного тракта. На этом участке устанавливается равномерное движение ударника до команды на переключение клапана в положение «прямой ход». На следующем участке давление в камере прямого хода увеличивается и клапан открывается. Далее ударник, останавливается и меняет направление своего движения на обратное.

При прямом ходе ударника можно также выделить характерные участки движения. Один из них характеризует движение ударника под магистральным давлением жидкости, а второй - движение ударника по инерции после схода его со штока переходника. На втором участке магистраль напрямую соединена со сливом через камеру прямого хода для образования на клапане перепада давления. Поэтому он определяет четкость переключения клапана в положение «обратный ход», которое происходит в момент удара ударника по инструменту, что отмечается на диаграмме совпадением импульса удара с первым импульсом давления в камере обратного хода.

£

1

о

2

0,00 0,02

0,04 0,06 !>«.». 0,08 0,: 0 0,12 (,14

(-

—Давление в камере обратного хода, МП а

Тц_ Время, с

хода, МП а —Давление в камере прямого хода, МПа

—Давление в рабочей камере аккумулятора, МПа - - Отметка ударов

1 - удар ударника по инструменту; 2 - набегание ударника на шток переходника; 3 - команда на переключение клапана в положение «прямой ход»; 4 - начало прямого хода; 5 - команда на перекидку клапана в положение «обратный ход»; 6 - начало обратного хода

Рисунок 8 - Диаграмма давлений гидравлической ударной машины с аккумулятором при производительности насоса 90 л/мин

Определение соотношений рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала проводилось в два этапа: 1 - выбор рационального отношения площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, обеспечивающего предотвращения преждевременной перекидки клапана в положение «прямой ход»; 2 - определение площади верхнего торца клапана, при которой ударная машина работает в широком (0,5-4,0 МПа) диапазоне давлений.

В результате анализа полученных экспериментальных данных определены и запатентованы соотношения1 рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала, при которых гидроударник устойчиво работает в заданном диапазоне давлений в напорной магистрали энергоносителя (0,5-4,0 МПа). Эти соотношения описываются уравнением

1 Патент РФ№2300618

ДЛЯ З'закр / 5разр. = 4,0...5,0,

где 5щ,х - площадь ударника со стороны камеры прямого хода, мм2; 50бх. -площадь ударника со стороны камеры обратного хода, мм2; ¿икр - эффективная площадь клапана, работающая на его закрытие, мм2; 5ра3р. - площадь разрядного канала, мм2'. Значение коэффициента А: изменяется в диапазоне 1,2-1,8.

Для работающей машины с реализованными в ней рациональными соотношениями конструктивных параметров получена зависимость выходных характеристик от количества подаваемой рабочей жидкости, представленная на рисунке 9.

40 90 140 С, л/мин

К.П.Д., % -¡»г-частота ударов ударника, 1/с -•-энергия удара, Дж

Рисунок 9 - Зависимость параметров экспериментального образца погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом от количества подаваемой рабочей жидкости

Всплеск давления в камере прямого хода на обратном ходе ударника, вызванный резким ступенчатым уменьшением площади сливного тракта вследствие набегания ударника на шток переходника (рисунок 8) - является негативным фактором. С целью его устранения найдено и запатентовано техническое решение2, позволяющее оставлять площадь сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника. В результате его применения можно ожидать повышения частоты ударов ударника, увеличения мощности машины и, как следствие, повышения эффективности её работы.

Предложенное техническое решение, представленное на рисунке 10, заключается в установке внутри штока 1 втулки 2 с дросселирующими отверстиями 3 в районе заклапанной полости и пружины 4. При работе втулка 2 периодически перекрывает радиальные окна 5, образованные в штоке 1. При обратном ходе ударника 6 рабочая жидкость сначала малым потоком идет через

2 Патент РФ №2307911

дросселирующие отверстия 3 в сливной тракт 7, тем самым, создавая перепад давления на втулке 2. Сила, создаваемая перепадом давления, сжимает пружину 4,перемещая втулку 2 и открывая, тем самым, радиальные окна 5, образованные в штоке 1. При этом жидкость из камеры прямого хода 8 напрямую идет в сливной тракт 7, минуя участки с большими местными сопротивлениями. После окончания обратного хода и перекидки клапана 9 в положение «прямой ход», давления, действующие на втулку 2, уравниваются, и она под действием пружины 4 возвращается в своё исходное положение, закрывая радиальные окна 5 в штоке 1. Начинается прямой ход.

Таким образом, в результате проведенных исследований, достигнуты следующие основные результаты:

- выведено соотношение рабочих площадей Рисунок 10 - Погружная гидрав- _

ударника со стороны камер прямого и обрат-лическая ударная машина с допол- г г г г

иителмой системой разрядки на ного хода' пощади верхнего торца клапана и всем протяжении обратного хода площади разрядного канала, при которых ударника гидравлическая ударная машина устойчиво

работает в диапазоне давлений (0,5-4,0 МПа) в напорной магистрали энергоносителя, что подтверждается диаграммами давлений в рабочих камерах;

- найдено техническое решение, позволяющее оставлять площадь сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника; в результате повышается частота ударов ударника, увеличивается мощность машины и, как следствие, повышается эффективность её работы.

В пятой главе - «Методика расчета основных параметров бурового снаряда (погружная гидравлическая ударная машина - породоразрушаю-щий инструмент)» - приведена инженерная методика расчета основных параметров системы «погружная гидравлическая ударная машина - породоразру-шающий инструмент», разработанная на основе обобщения результатов, полученных при экспериментальном исследовании погружной гидравлической ударной машины и динамического внедрения твердосплавных породоразру-шающих штырей в геоматериалы.

Методика вюпочает в себя следующие основные позиции.

В первую очередь, это - размещение породоразрушающих штырей по торцу инструмента (рисунок 11) группами в количестве трех штырей на равных межцентровых расстояниях с использованием эмпирических зависимостей (4) и (5).

Далее по расчетной энергии удара определяется приведенная энергия, необходимая для разрушения забоя (5). Для этого вводится поправочный коэффициент распределения энергии по забою // = 0,5...0,7, вследствие неодновременного взаимодействия породоразрушающих штырей с массивом.

£„р=А-£рас,, (5)

По соотношениям (4) определяются конструктивные параметры гидравлической ударной машины, значения которых используются при расчете её энергетических характеристик.

В таблице 2 приведены рассчитанные по предложенной методике и экспериментально установленные характеристики для погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом диаметром 93 мм для бурения скважин сплошным забоем в мраморе.

Таблица 2 - Технические характеристики погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом

№ Технические характеристики Рассчитанные Экспериментально установленные

1 Энергия удара, Дж 120 110

2 Частота работы машины, Гц 18 14

3 Ударная мощность, кВт 2,0 1,7

4 к.п.д., % 34 31

Таким образом, предложенная методика позволяет обосновать параметры породоразрушающего инструмента, согласовать и рассчитать энергетические и геометрические характеристики погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом, обеспечивая, тем самым, оптимальное по энергоемкости объемное разрушение породы при бурении.

. -

^ ^___/ [ : \ ^

: *-ч\

I с-

Рисунок И - Пример схемы расположения твердосплавных штырей по торцу породоразрушающего инструмента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для экономики горной отрасли. На основе результатов выполненных теоретических и эксперимеш'альных исследований дано обоснование параметров погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и по-родоразрушающего инструмента к ней, реализация которых обеспечивает минимизацию энергетических затрат при бурении.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Установлено, что к одному из перспективных направлений развития базовой для горного дела технологии бурения скважин, относится разработка погружных гидравлических ударных машин с объемным приводом. Они легко вписываются в подземные выработки, в том числе, малого сечения, не требуют дорогостоящего крупногабаритного буроЕого оборудования, обеспечивают достаточную точность направления бурения скважин.

2. Экспериментально доказано, что при разрушении породного материала инструментом, оснащенным инденторами со сферической торцевой поверхностью, существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение геоматериала с минимальной энергоемкостью. Соответствующий пороговому значению энергии удара безразмерный энергетический критерий механического воздействия ударника на породу совпадает с энергетическим условием возникновения волн маятникового типа, и свидетельствует о том, что в зоне минимальной энергоемкости возникают геомеханические квазирезонансные явления.

3. Доказана работоспособность созданного в ИГД СО РАН экспериментального образца гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины, повышение эффективности её работы.

4. Экспериментально установлено соотношение рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала, при котором гидравлическая ударная машина работает устойчиво в диапазоне давлений 0,5-4,0 МПа в напорной магистрали энергоносителя.

5. Разработана методика расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента для реализации оптимального по энергоемкости объемного разрушения породы.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Липин A.A. Погружные гидроударники объемного типа [Текст] /

A.A. Липин, В.В. Тимонин. Горный журнал, №12,2006, с. 57-58.

2. Липин A.A. Современные погружные ударные машины для бурения скважин [Текст]/ A.A. Липин, В.В. Тимонин, A.C. Танайно. Каталог-справочник // Горная техника, Санкт-Петербург, 2006, с. 116-123.

3. Тимонин В.В. Динамика, конструктивные и энергетические параметры погружного гидроударника с объемным приводом для бурения скважин в горных породах [Текст] / В.В. Тимонин. Материалы третьей международной конференции // Проблемы механики современных машин, том I, Улан-Удэ, 2006, с. 117-121.

4. Тимонин В.В. Оптимизация соотношений конструктивных параметров погружной гидравлической ударной машины объемного типа [Текст] /

B.В. Тимонин. Труды научной конференции с участием иностранных ученых // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Новосибирск, 2007, с. 51-53.

5. Тимонин В.В. Оценка процесса разрушения горных пород при динамическом вдавливании группы инденторов с точки зрения нелинейной геомехаии-ки [Текст] / В.В. Тимонин. Труды научной конференции с участием иностранных ученых // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. Новосибирск, 2008, с. 470^174.

6. Пат. 2300618 Российская Федерация, МПК7: Е 21 В 4/14, Е 21 В 1/26. Погружной гидроударник [Текст]/ Тимонин В.В.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. - 2006100970; заявл. 10.01.2006; опубл. 10.06.2007, Бюл. № 16. -6 е.: ил.

7. Пат. 2307911 Российская Федерация, МПК Е 21 В 4/14,Е 21 В 1/26 (2006.01.). Погружной гидроударник [Текст]/ Тимонин В.В.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. - 2006114656; заявл. 28.04.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28. -5 е.: ил.

Подписано к печати 12.05.2009 Формат 68 х 84 /16 Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 11 Учреждение Российской академии наук Институт горного дела СО РАН 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54

Введение

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Тенденции развития погружных ударных машин, предназначенных для бурения скважин в горных породах.

1.2 Современные требования к породоразрушающему инструменту для бурения скважин погружными пневмо- и гидроударниками.

1.3 Анализ исследований, направленных на совершенствование породоразрушающего инструмента.

Актуальность темы. Применение погружных гидроударных машин при бурении скважин существенно улучшает показатели эффективности бурения: повышается процент выхода керна, возрастает скорость бурения, снижаются энергозатраты и стоимость, уменьшается влияние структурных особенностей геологического разреза на эффективность бурения. Гидроударники обеспечивают хорошее сохранение заданного направления скважины, что обусловлено ударным методом: разрушения породы на> забое, большой жесткостью снаряда, небольшой величиной разработки ствола скважины по диаметру и высокой механической скоростью бурения: Однако; распространенные во всем мире погружные гидроударники используют кинетическую энергию жидкости для преобразования ее в удар и являются машинами динамического типа. Они имеют высокий непроизводительный расход рабочей жидкости, приводящий к размыву стенок скважины в неустойчивых зонах слабых пород, а также низкие значения; к.п.д. и энергии удара, недостаточные для реализации эффективного бурения крепких горных пород. Улучшение этих показателей возможно путем создания принципиально новых гидроударниKOBJ, основанных на использовании потенциальной энергии рабочего тела^т.е.г гидрообъемных машин. Они обладают потенциально более высокими энергетическими параметрами и технологическими возможностями.Самым распространенным и наиболее перспективным породоразрушающим буровым.инструментом на сегодня является штыревой. Известно, что при использовании штыревого инструмента происходит значительное снижение энергоемкости процесса бурения, но при этом требуется приложение определенной энергии к штырю. Поэтому при создании высокоэффективной гидрообъемной погружной ударной машины актуальной задачей является согласование энергии удара с конструктивными параметрами бурового-инструмента. Это предполагает проведение экспериментальных исследований, направленных на определение достаточной . энергии удара, обеспечивающей объемное разрушение породы при минимальных энергозатратах, и поиск рационального расположения штырей в буровом инструменте.Целью диссертационной работы является обоснование рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров бурового инструмента и принципиальной конструктивной схемы погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости.Идея работы заключается в применении объемного привода в погружной гидравлической ударной машине, а также расположении штыревых инденторов породоразрушающего инструмента в соответствии с условиями обеспечения* бурения с минимальной энергоемкостью.Объект исследования*- гидравлическая ударная машина с объемным приводом и геосреда при их взаимодействии.Предмет исследований — характер взаимодействия* инденторов породоразрушающего инструмента с геосредой, рабочий цикл гидравлической ударной машины.Задачи исследования: -установить закономерность изменения энергоемкости процесса разрушения горной породы от геометрических параметров вооружения штыревого породоразрушающего инструмента и разработать практические рекомендации по их использованию при проектировании инструмента; -обосновать принципиальную схему погружной гидравлической ударной машины и экспериментально определить рациональные соотношения площадей рабочих элементов машины для её работы в широком (0,5-4,0 МПа) диапазоне давлений энергоносителя; - испытать экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины в стендовых условиях, уточнить её рациональные настройки; i s * > 5 - разработать методику расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины с целью обеспечения минимальной энергоемкости процесса разрушения горной породы.Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области создания гидравлических ударных машин и породоразрушающих инструментов к ним; экспериментальные исследования процесса динамического внедрения инденторов в породу и рабочего цикла погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом с применением современных методов и технических средств.Основные научные положения, выносимые на защиту: 1.При ударном взаимодействии геоматериала (мрамор, гранит) с инструментом, оснащенным разрушающими инденторами со сферической торцевой поверхностью, не зависимо от количества инденторов в группе (от 1 до 3 шт.) и расстояния между ними (15 — 25-мм) существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение материала с минимальной энергоемкостью.2. Для-оценки рационального расположения породоразрушающих инденторов по торцу инструмента и энергетического воздействия на него следует использовать безразмерный энергетический критерий возникновения волн маятникового типа и квазирезонансных явлений в массиве горных пород, зона минимальных значений которого совпадает с зоной минимальной энергоемкости разрушения породного массива.3. Устойчивая работа гидравлической ударной машины с одной управляемой камерой и автономной системой её питания-разрядки на всем пути движения ударника при давлении энергоносителя в напорной магистрали в диапазоне 0,5— 4,0 МПа обеспечивается соотношением рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала (S^x.' йакр.) / (Spa3p. • Sup.x) = 1,2-1,8, при S3aKp. I £ра3р. = 4,0-5,0.Достоверность научных положений подтверждается, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.Научная новизна диссертации: — установлены условия ударного разрушения горной породы с минимальной энергоемкостью и безразмерный энергетический критерий разрушения породного массива при бурении скважин, позволяющий оценить эффективность использования энергии удара, подведенной к забою; — установлено совпадение безразмерного энергетического критерия оценки разрушения породного массива и энергетического условия возникновения волн маятникового типа, что свидетельствует о возникновении в зоне минимальной энергоемкости разрушения породы геомеханических квазирезонансных явлений; — экспериментально доказана работоспособность гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в * системе распределения^ энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения, ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника( и увеличение мощности машины путем сохранения площади сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника; — определены рациональные геометрические соотношения размеров основных элементов системы распределения-энергоносителя, оказывающие наибольшее влияние на устойчивость работы гидравлической ударной машины, и разработан метод расчета ее основных характеристик и параметров породоразрушающего инструмента, обеспечивающие бурение скважин с минимальной энергоемкостью.Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования особенностей процесса разрушения» горных пород при динамическом вдавливании группы, инденторов, оценке процесса разрушения с точки зрения-нелинейной геомеханики; в обработке и интерпретации экспериментальных данных; в разработке конструкции погружной гидравлической ударной машины.Практическая ценность работы: - разработана методика расчета погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней для обеспечения бурения скважин с минимальной энергоемкостью в породах средней и высокой крепости; - создан и опробован экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины, позволяющий максимально полно использовать.энергию рабочей жидкости.Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на третьей международной- конференции «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной" геосреды», Новосибирск, 2006г., 2008г.; Всероссийской,научной,конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2007 г.; работа диссертанта отмечена в номинации» «Лучшие аспиранты РАН 2007 года».Публикации. По- теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.Объем и структура работы. Диссертация изложена, на 129 страницах и со- ' стоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 85 наименований; содержит 36 рисунков, 24 таблицы.Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору В.Н. Опарину за помощь при выполнении работы и осмыслении результатов проведенных исследований, д.т.н., профессору Б.Н. Смоляницкому за отеческую поддержку и внимание, к.т.н. А.А. Липину за научную поддержку. Отдельную благодарность хочется выразить всем сотрудникам лаборатории бурения ИГД СО PAHi ' 8

5.2. Выводы

1. Разработана методика расчета основных энергетических и конструктивных параметров погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней, в основе которой лежат зависимости для определения рационального энергетического воздействия на породный массив, расположения породоразрушающих штырей по торцу инструмента и соотношений между основными элементами системы распределения энергоносителя .

2. Разработан проект погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин диаметром 93 мм

77Z ш т УШ/Я}//}/)/ /) л'/))) / / у / гс . н

Б iS°a> 2IE

Ь4&- — - ip.tjg

Рисунок 5.2 - Чертеж общего вида погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом

Заключение

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой; изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для экономики горной отрасли. На основе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований дано обоснование параметров погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и породоразрушающего инструмента к ней, реализация которых обеспечивает минимизацию энергетических затрат при бурении.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Установлено, что к одному из перспективных направлений развития базовой для горного дела технологии бурения скважин относится разработка погружных гидравлических ударных машин с "объемным приводом. Они легко вписываются-в подземные выработки, в том числе, малого сечения, не требуют дорогостоящего крупногабаритного бурового оборудования, обеспечивают достаточную точность направления бурения скважин. •

2. Экспериментально доказано, что при разрушении породного материала инструментом, оснащенным инденторами со сферической' торцевой поверхностью, существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее-объемное разрушение геоматериала с минимальной энергоемкостью. Соответствующий пороговому значению энергии удара безразмерный энергетический критерий механического воздействия ударника на породу совпадает с энергетическим условием возникновения волн маятникового типа, и свидетельствует о том, что в зоне минимальной энергоемкости возникают геомеханические квазирезонансные явления.

3. Доказана работоспособность созданного в ИГД СО РАН экспериментального образца гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины, повышение эффективности её работы.

4. Экспериментально установлено соотношение рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала, при котором гидравлическая ударная машина работает устойчиво в диапазоне давлений 0,5—4,0 МПа в напорной магистрали энергоносителя.

5. Разработана методика расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента для реализации оптимального по энергоемкости объемного разрушения породы.

1. Архипенко А.П. Гидравлические ударные машины Текст. / А.П. Архипенко, А.И. Федулов, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1991. 201 с.

2. Родионов Г.В. О классификации машин ударного действия. Машины ударного действия Текст. / Г.В. Родионов. Новосибирск, Зап.-Сиб. кн. Изд-во, 1953.-с. 53-73.

3. Алимов О.Д. Конструктивные схемы бурильных машин Текст. / О.Д. Алимов, С.А. Басов, А.А. Алимова. Фрунзе: Илим, 1973. 92 с.

4. БеланН.А. Гидравлические ударные механизмы для бурильных машин Текст. / под. ред Н.А^ Белана, Прокопьевск, 1972. — 156 с.

5. Арцимович Г.В. Ударно-вращательное бурение скважин гидроударниками Текст. / Г.В. Арцимович, Е.Ф. Епштейн. М.: Госгортехиздат, 1963. — 85с.

6. Федулов А.И. Пневматика или гидравлика?' Текст. / А.И. Федулов. ФТПРПИ, 1979, №4. С. 53-65.

7. Федулов А.И. Анализ показателей гидроударных устройств Текст. / А.И. Федулов, А.П. Архипенко. ФТПРПИ, 1986, №4. -с. 58-69.

8. BRH 1100 Montabert un puso adelante en demoledores hidraulicos // Can-teras у explot. 1982. №181. p. 24-28.

9. Граф Л.Э. Гидроударные машины и инструмент Текст. / Л.Э. Граф, Д.И. Коган, М.: Недра, 1972. 208 с.

10. Александров Е.В. Исследование процесса ударного взаимодействия горной породы и инструмента Текст. / Е.В. Александров, В.Б. Соколинский, Тр. ИГД им. Скочинского,' 1965: 245 с.

11. Александров Е.В. Прикладная теория и расчет ударных систем Текст. /Е.В. Александров, В.Б. Соколинский, М.: Наука, 1969. — 356с.

12. Александров Е.В. Исследование взаимодействия инструмента и горной породы при ударном разрушении Текст. / Е.В. Александров, М.: изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1967. — 452 с.

13. Алимов О.Д. Исследование вращательно-ударного бурения Текст. / О.Д. Алимов, Изв. ТПИ, т.106, 1959. 156 с.

14. Граф Л.Э. Техника и технология гидроударного бурения Текст. / Л.Э. Граф, А.Т. Киселев, Д.И. Коган. М.: Недра, 1975. 144с.

15. Граф Л.Э. Перспективы применения гидроударного бурения скважин малых диаметров Текст. / Л.Э. Граф, А.Т. Киселев, М.: ВИЭМС, 1971. 20 с.

16. ЭпштейнЕ.Ф. Бурение скважин гидроударниками Текст. / Е.Ф. Эпштейн, В.Г. Ясов, М.: Недра, 1967. -168 с.

17. БегагоянИ.А. Бурильные машины Текст. / И.А. Бегагоян,

18. A.Г. Дядюра,* А.И. Бажал. М.: Недра, 1972.- 368с.

19. Иванов К.И.Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых Текст. / К.И. Иванов, М;С. Варич, В.И. Дусев. М.: Недра, 1974.-408с.

20. Воздвиженский В.И. Бурение взрывных скважин Текст. /

21. B.И. Воздвиженский, А.Л. Скорняков. М.: 1960.-268 с.

22. Кекин А. Борьба с пылью при пневмоударном бурении Текст. / А. Кекин. Алма-Ата, 1960. 124 с.

23. РебрикБ.М. Бурение скважин при инженерно-геологических изысканиях Текст. / Б.М. Ребрик, М.: Недра, 1997, С. 35-48.

24. Кардыш В.Г. Расширение области эффективного применения базовых технологий бурения Текст. / В.Г. Кардыш, Жур. «Разведка и охрана- недр», 1991, №7, С. 3-6.

25. Горные науки, освоение и сохранение недр Земли- Текст. // под ред. академика К.Н. Трубецкого. М.: Изд. Академии горных наук. 1997, С. 372-384.I

26. Алимов О.Д. Гидравлические виброударные системы Текст. / О.Д. Алимов, С.А. Басов» М.: Наука, 1990. 372 с.

27. Дмитревич ЮДЗ. Применение гидропривода в ударных машинах Текст. / Ю.В. Дмитревич; М.: Наука, 1967. 456 с. •

28. Горбунов В.Ф. Гидравлические отбойные и бурильные молотки Текст. / В.Ф. Горбунов, Д.Н. Ешуткин, Г.Г. Пивень, Г.С. Тен, Новосибирск, ИГД СО АН СССР. 1982.

29. Александров Е.В. Пути улучшенияч эксплуатационных показателей машин ударного действия Текст. / Е.В. Александров, В.Б. Соколинский, Г.М. Захариков. М.: ИГД им. Скочинского, 1968. 54 с.

30. Оуднишников'В.Б. Элементы динамики машин ударного действия Текст . / Б.В: Суднишников, Н.Н. Есин-. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1965.-84 с.

31. Петреев А.М. О некоторых режимах работьгмашин ударного действия Текст. / A.M. Петреев. ФТПРПИ. 1969. - №6. с. 75-82.

32. Ашавский A.M. Силовые импульсные системы Текст. / A.M. Ашавский, А.Я. Вольперт, B.C. Шейнбаум. М.: Машиностроение, 1978. -200 с.

33. Алимов О.Д. Конструктивные схемы бурильных машин Текст. / О.Д. Алимов, С.А. Басов. Фрунзе: Илим,1973, с. 4-12.

34. А.с. № 581253 (СССР). Гидравлический механизм ударного действия Текст./ А.С. Верескун; опубл. 1997, Бюл. №43.

35. А.с. 157286 (СССР). Установка для разработки мерзлого грунта Текст./ И.В. Радионов, Ф.С. Сургонт, И.В. Пряжинский и др.; опубл. 1963, Бюл. №17.

36. А.с. 1046495 (СССР). Гидравлические бурильные машины ударного действия Текст./ А.Ф. Пономарчук, Б.Г. Бовдуй, И.В. Коц и др.; опубл. 1983, Бюл. № 37.

37. А.с. 1046534 (СССР). Ударный узел ударной машины с гидроприводом Текст./ А.Ф. Пономарчук, Б.Г. Бовдуй, И.В: Коц^и др.; опубл. 1983. Бюл. №40.

38. Киселев А.Т. Гидроударное бурение итоги и перспективы Текст.*/ А.Т. Киселев, Ю.А. Меламед. журн. Разведка и охрана недр - 1996, № 9 — С. 1922. •

39. Сулакшин С.С. Бурение геологоразведочных скважин Текст.1 /

40. С.С. Сулакшин. Справочное пособие, М.; 1991.

41. Бурение шпуров и скважин Текст. / По материалам третьего Всесоюзного совещания по бурению шпуров и скважин. Издательство «Илим», Фрунзе, 1968.

42. Эйгелес P.M. Отчеты ВНИИБТ Текст. / 1960-65.

43. Крюков Г.М. Теоретическое исследование динамического взаимодействия бурового инструмента с породой Текст. / Г.М. Крюков, Б.Н. Кутузов //

44. Всесоюзная научно-техническая конференция. Разрушение горных пород при бурении скважин. Уфа, 1973.

45. Разрушение горных пород Текст. / Сборник научных трудов. Якутск, 1983.-140 с.

46. Арцимович Г.В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин Текст. / Г.В. Арцимович. Новосибирск, Наука, 1974. 124 с.

47. Арцимович Г.В. Исследование и разработка породоразрушающего инструмента для бурения Текст. / Г.В. Арцимович. Новосибирск, Наука, 1978. — 182 с.

48. Андреев В.Д. Исследование механизма разрушения горных пород при ударном бурении Текст. / В.Д. Андреев, Г.К. Виторт, В.И. Савченко, Киев: Техника, 1970, с. 157-165. t

49. Арцимович Г.В. Исследование условий работы инструмента при ударно-вращательном бурении Текст. / Г.В. Арцимович, И.А. Свешников, Н.М. Явтушенко, Киев: Техника, 1966, -с. 100-106.

50. Спивак А.И. Разрушение горных пород при бурении скважин Текст. / А.И. Спивак, А.Н. Попов. Учебник для вузов. — 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Недра, 1986.-208 с.

51. Масленников И.К. Инструмент для бурения скважин Текст. / И.К. Масленников, Г.И. Матвеев. Справочное пособие. М.: Недра, 1981. 432 с.

52. Межлумов А.О. Основные направления повышения эффективности буровых долот за рубежом Текст. / А.О. Межлумов, М.: ВНИИОЭНГ, 1980. — 243 с.

53. Шрейнер JI.A. Твердость хрупких тел Текст. / JLA. Шрейнер. М.:Изд. Академии наук СССР, 1949.

54. Павлова Н.П. Разрушение горных пород при динамическом нагруже-нии Текст. / Н.П. Павлова, JI.A. Шрейнер. М.: Недра, 1964. - 159 с.

55. Курленя М.В. Проблемы нелинейной геомеханики Текст. / М.В. Курленя, В.Н. Опарин. 4.1. // ФТПРПИ. 1999. -№3. С. 12-26.

56. Курленя М.В. Проблемы нелинейной геомеханики Текст./ М.В. Курленя, В.Н. Опарин. 4.II. // ФТПРПИ. 2000. -№4. С. 3-26.

57. Курленя М.В. О некоторых особенностях реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне Текст. / М.В. Курленя, В.Н. Опарин,

58. A.Ф. Ревуженко, Е.И. Шемякин. ДАН СССР. -1987, Т.273, №1.

59. Курленя М.В. Знакопеременная реакция горных пород на? динамическое воздействие Текст./ М.В. Курленя; BJEH Адушкин, В.Н. Опарин. ДАН СССР. -1992, Т. 323, №2. ;

60. Никифоровский B.C. Динамическое разрушение твердых тел Текст. /

61. B.C. Никифоровский, Е.И. Шемякин. Новосибирск: Наука, 1979.

62. Черепанов Г.П. Механика разрушения Текст. / Г.П. Черепанов, JI.B. Ершов. — М.: Машиностоение, 1977.

63. Курленя М.В. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа UM Текст. / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.И. Востриков. ДАН СССР, 1993, Т. 333, №4.

64. Курленя М.В. О геомеханических условиях возникновения квазирезо-нансов в геоматериалах и блочных средах Текст. / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, В.И. Востриков. ФТПРПИ, 1998, №5.

65. Суднишников Б.'В; Исследование и конструирование пневматических машин ударного? действия Текст. /. Б.В; Суднишников, Ы.Ы. Есин, К.К. Тупицин. Новосибирск: Наука, 1985;

66. Алимов О.Д. Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров Текст. / О.Д. Алимов. Изд-во томского университета, 1960.

67. Барон Л.И. Экспериментальное определение; коэффициентов крепости горных пород по шкале М.М. Шротодьяконова путем испытания4 буровых кернов на раздавливание Текст. / Л.И. Барон. Сб. Разрушение углей и пород. Уг-летехиздат. 1955;

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

69. Владиславлев B.C. Разрушение пород при бурении скважин Текст. / B.C. Владиславлев, М.: Недра, 1968. .

70. Жлобинский Б.А. Динамическое разрушение горных пород при вдавливании Текст. /Б.А. Жлобинский, М.: Недра, 1970.

71. Колесников 11.A. Влияние параметров режима бурения и конструктивных особенностей шарошечных долот на разрушение горных пород Текст. / Нефтяное хозяйство, №10, 1973, с. 1-4.

72. Колесников Н.А. Выбор величины притупления зубьев при конструировании шарошечных долот Текст. / Н.А. Колесников, Нефть и газ, №12, 1968, с. 29-32.

73. Остроушко И.А. Забойные процессы и инструменты при бурении горных пород Текст. / И.А. Остроушко, М.: Госгортехиздат, 1962.

74. Павлова Н.Н. Экспериментальные исследования механических, свойств горных, пород при динамическом вдавливании Текст. / Н.Н. Павлова, Л.А. Шрейнер, А.Г. Портнова, В. кн. Вопросы деформации и разрушения горных пород при бурении, М., 1961, с. 4-34.

75. Липин А.А. Погружные? гйдроударники объемного типа Текст. /. А.А. Липин; В;В!Тимонин. Горный^рнал, №12^ 2006 г, с. 57-58.

76. Липин А.А. Современные погружные ударные машины для бурения скважин Текст./ А.А. Липин, В В. Тимонин, С.А. Танайно. Каталог-справочник //Горная техника, Санкт-Петербург, 2006; с. ,116-123.

77. Тимонин В.В. Оптимизация соотношений конструктивных^ параметров погружной гидравлической, ударной машины- объемного типа Текст. /128

78. B.В. Тимонин. Труды научной конференции с участием иностранных ученых // Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды. Новосибирск, 2007, с.51-53.

79. Пат. 2300618 Российская Федерация, МПК7: Е 21 В 4/14, Е 21 В 1/26. Погружной гидроударник Текст./ Тимонин В.В.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. -2006100970; заявл. 10.01.2006; опубл. 10.06.2007, Бюл. №16. -6с.: ил.

80. Пат. 2307911 Российская Федерация, МПК Е 21 В 4/14,Е 21 В 1/26 (2006.01.). Погружной гидроударник Текст./ Тимонин В.В.; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН. -2006114656; заявл. 28.04.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. -5с.: ил.

81. Садовский М.А., Кедров O.K., Пасечник И.П. О сейсмической энергии и объеме очагов при коровых землетрясениях и подземных взрывах // ДАН СССР.- 1985.-Т. 283.

82. Справочник физических констант горных пород. Под. ред

83. C. Кларка мл. Текст. / М.: Издательство «Мир», 1969