автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка метода ускоренных испытаний алмазного породообразующего инструмента на основе спектрального анализа акустического поля

Министерство науки, высшей школы и технической политики И

Санкт-Петербургский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный горный институт имени Г.В.Плеханова ( Технический университет )

На правах рукописи

АРХИПОВ Алексей Германович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ АШАЗНОГО ГЮРОДОРАЗРУШАЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника геологоразведочных работ"

Авт ореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Министерство науки, высшей школы и технической политики РЛ

Санкт-Петербургский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный горннй институт имени Г. В. Плеханова ( Технический университет )

На правах руко.лси

АРХЮВ Алексей Германович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УСлОРЕНШ ИСШ/ГАНИЯ АЛМАЗНОГО ГОРОДОРАЗРУШАЩЛХ) ННСГРУЦгКГА НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА А1СУСТИЧЕСКС'П) ЮЛЯ

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника геологоразведочных работ"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа випопконв во Всесоюзном неучно-ксследовательском институте методики и техники разведки (ШГР).

Научный руководитель - доктор технических наук

Б.Н.Онищин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Л.К.Горшков

- кандидат технических наук Ю.Е.Будяжов

13одущал организация - Государственное геологическое предприятие "Севзапгеология"

Защита состоится " 14 " МО 1993 г. в ^ час. мин. на заседании специализированного совета Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском Государственном горном институте имени Г.В.Плеханова но адресу: .1990^6, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д.2, дуд.№ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Апторефсраг разослан " 2!. " йПрРЛ Й 1993 г.

Учс;к;!1 секретарь специализированного Совета, доктор технических наук, профессор .-'"'Д"- И. II. Тимофеев

г-'

ОБЩАЯ ХАРАКГЕРИСПШ РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка и серийный выпуск новых типов алмазного породорззрушающего инструмента является выпой задачей повшения эффективности бурения. Неотъемлемой частью процессов разработки и серийного выпуска инструмента являются испытания, в ходе которых проверяется эффективность заложенных конструктивных решений и оценивается качество изготовления. До настоящего времени основным методом испытаний является совместная отработка опытных и базовых образцов инструмента в производственных услоьиях. Производственные испытания сопряжены с большой трудоемкостью, растянуты во времени к становятся нерентабельными в рыночных условиях. При этом информативность производственных испытаний норедко ^достаточна для принятия объективных и быстрых решений по совер-1енствованию конструкции инструмента и технологии его изготовле-:ия. В этих условиях большое значение приобретает разработка ые-ода ускоренных испытаний алмазного породоразрутаающего инструмен-а, который мог бы быть применен при разработке и серийном выпус-е инструмента.

При испытаниях на стадии разработки нового типа породораа-гтлающего инструмента важно оперативно оценить его работоспособ-эсть. Для этого необходимо получить информацию об оптимальных ¡жимах бурения и прогнозировать ресурс инструмента. Определение гениальных режимов бурения основывается на принятом критерии сп-мальности. С точки зрения физики процесса разрушения горной пода, наиболее объективным критерием оптимальности является велика удельной объемной энергии разрушения WQ , характеризующая траты энергии на единицу объема разрушенной породы. Прогноз pepea инструмента на различных режимах можно осуществить, контро-руя интенсивность износа коронки 3 в процессе бурения. Для ¡троля величин Wq и J необходимо установить их связь с ка-!и-чиб0 величинами, которые можно измерять в процессе бурения.

Контроль качества при серийном выпуске породоразрушаицего' ин->умента может быть решен путем создания опорного "образа" эталон-'0 образца типа породоразрушающего инструмента. Тогда испытало проверке качества серийно-вылускаемого инструмента сведут-к сравнению "образов" эталонного и изготовленного инструментов.

Величины удельной объемной энергии разрушения и интенсивнос-13носа инструмента являются производили от процесса разрушения юй породы, да и сам процесс разрушения при бурении конкретным

породор^рушлюцим инструментом имеет характерные особенности. Отсюда можно предположить, что информация о величинах и 0 и "образе" типа инструмента содержится в параметрах физических явлений, сопровождающих процесс разрушения. Одно из тгдих явле.чий -акустическое поле. Анализ результатов акустических исследований показал, что изучение акустического поля является перспективном направлением для разработки методов и технических средств ускорен;!:« испытаний алмазного породоразрушающего инструмента. Акустическое поле может стать источником информации о оели'шнах и Э и служить "образом" типа породораи рушащего инструмента.

Работа выполнялась во всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техники разведки в соответствии с постановлением ко..легии Мингоо СССР №2в1 от 05,06.66 , этап И2 договора 203,и в рамках программы Госкомитета по геологии Российской Федерации "Синтетические алмазы России", этап 4 договора 734.

Цель работы. Разработка метода ускоренных испытаний алмазного породоразрушающего инструмента на основе спектрального анализа акустического поля.

Задачи исследований:

- определение наиболее информативных параметров акустического поля для контроля процессов разрушения горной породы и износа г.ородорчзрутатюдего ипстрлмента;

- установление зависимости информативных параметров акустического поля от т.чна, состоянии и интенсивности износа породоразрушающего инструмента, физико-мсханических свойств разбуриваемых горных пород, режима бурения и удельной обьекпой оперши рпрушп-ния;

- оттно-рломылленноо оггрсбол.^'шп метода с цзлья 1-ы-епония его сзможностеЗ при репен'!/! различных задач, возникавших при разработке (! серийном выпуске гюродоразрушанщего инструмента.

1.'.ет оди нее л едо р пни й. Анализ известных научных работ но испытаниям алмазного породоразрутощего инструмента и акустическим исследованиям в процессо бурения. Теоретическое, обоснованно взаимосвязи процессов разрушения горной породы и износа породоразрушающего инструмента со спектральным составом акустических колебаний. Экспериментальные исследования акустического шля п стендовых и производственных условиях с использованием стандартной измерительной аппаратуры и специализированного датчика акустических колебаний. Спектральный и амплитудно-временной ана-чз акустических : сигналов. Обработка экспериментальных данных на ЭШ с использовг-

ниеи методой математической «татистики.

На основе результатов эксш.рименталышх и теоретических исследований бши сформулированы осноишэ поло<ени<1 метода ускоренных испытания алмазного породоразрушпп'цего инструмента.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснован выбор информативных ппр&метров высокочастотного диапазона 7-20 кГи акустического поля для объективного контроля процессов разрушения горной породи и износа породоразрушаюцего инструмента. Экспериментально установлены зависимости информативных параметров акустического пгля от типа, состояния и интенсивности износа породо-разруиаххцего инструмента, физико-механических лвоЯств горных ло-род, ре.-кима бдения и удельной объемноЯ онергии ра^руаения. Разработал метод ускоренных испытаний алмазного породораэгуиащего инструмента на основе спектрального анализа акустического поля. Метод эащщен двумя аьтор кипи свидетельствами.

Достоверность научных голг.уемхЯ подтверждается больший объемом теоретических и эксперименгальних исследования, использованием с-временных методов исследования и обработки результатов экспериментов, практическим опробованием рг. сработанного цэтода.

Практическая ценность габоты заключается в возмо;яюсти использования результатов анешза акустического юля для ускоренных ис-питьниП алмазного лородоразрушмчего инструмента.

Метод позволяет для конкретного породоргзру^аю^его инструнеп-та оценивать механизм разруления горной породи, определять область отимальньи ре.тамоа бурения, прогнозировать ресурс на различных ре:*имах (для импрегнированнок коронки), контролировать состояние при бурении и рекомендовать рациональные области применения, '.'.э-тод дает возио.;.ность выявлять отклонения в сериЯно выпускаемо продукты.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при составлении методических рекомендация для ускоренных испытаний алмазного породоразрупащего инструмента на основе спектрального анализа акустического поля. Методические рекомендации внедрены и используются во Бсесозном научно-исследовательском институте методики и техники разведки (ШТР) при разработке алмазного породоразрушающего инструмента.

Апробация работы. Основные результаты исследований и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на ХУ региональной научно-техничеи.ой конференции иолодых ученых и специалистов Северо-запада "Научные и практические проблемы геологоразведки" (1991), 2-гм международном симпозиуме по бурению скважин в ослоя-

- б

пенных условиях (1992). Серии работ по использованию акустических полей для решония практических задач бурения занимали призовые места о конкурсах внеплановых работ НТО "Горное" (Х9Шг.-11 место, 1~90г,-1 место, 1991г.-III место).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть статой и получили "одно ивгорскоо свидетельство и одно положительное ра-иенке по заявим на изобротениэ..

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,

б глав и выводов, содержит 150 страниц машинописного текста, 22 таблицы, иллюстрирована 30 рисунками. Список литературы включает 37 наименований.

Введение" содержит обоснование актуальности темы, общуа характеристику работы, а также основные положения выносимые на оа-' щиту.

В первой главе освещены существуйте методы испытаний алмазного породоразрушшощего инструмента и результаты исследований акустических полей в процессе бурения.

Во второй главе поставлены цель и задачи исследований, описана методика исследований, технические средства и метрологическое обеспечение работ, обработка и интерпретация экспериментальных данных.

В третьей главе теоретически и экспериментально обоснован выбор информативных параметров акустического поля, показана связь спектра акустических колебаний с процессом износа илмг-лпой коронки, проведена к~ассификацнп процессов, протекающих з екпажино при бурении, по частоте акустических колебаний, предложена гипотеза о генезисе высокочастотных акустических колебаний в процессе бурения.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований аа^исим.сти ¿.1'устичоского полт от типа, состояния и интенсивности износа плкпгн'то породоразругоакцего инструмента, . ^иэико-"охачических свойств горных пород, режима бурения и удельной оО'гсмпоп энергии разрушения.

В пятой гл.'-jc сформулированы основные положения сстода ус-коренньт* испытаний алмазного породоразрушащего инструмента на основе спектрального анализа акустического поля и приведены примеры его практического использования.

В шестой главе показана экономическая эффективность использования метода ускоренных испытаний.

В заключении щтведены основные вчводы по работе.

Работа над диссертацией проводилась под научным'рукоиод-

ствои доктора технических наук В. П.Онищина, которому автор в1/ра-жает свою глубокую признательность.

СОДЕРалНИЕ РАБОТУ

На основании результатов исследований были сфорчулированы следующие защищаемые положения:

I. Акустические колебания в диапазоне частот 7-20 кГц, возникающие при ьзаимодейстьии породоразрушаощего инструмента с забоем. непосредственно связаны с процессом рялрушенил горной породы. Информативными параметрами акустического поля для объективного контроля процессов разрушения горной породи и износа поро--доразр.ушаю:церо инструмента являются параметры. характеризуйся" амплитудно-частотные свойства диапазона 7-20 кГц - зне^гия диапазона УУа и частота, разделяющая диааазрн на две части с равными энергиями, /а .

Разрешение горной породи и износ поридоразрушаодего инстру-ыента являются следствие процесса взаимодействия пары "инструмент-горная порода". В триботехнике существует гипотеза, базирующаяся на положении, что механическое изнашивание при трении представляет собой процесс усталостного разрушония поверхностного слоя, происходящего в результате ввдуОДБнНых колебаний частиц материала на выступающие части которых действуют переменные силы.

В процессе взаимодействия породиразрушадхцего инструмента с горной породой имеет место преобразование кинетической энергии вращающегося снаряда. Допустим, что источниками возмущающих колебаний являются частица торцевой поверхности матрицы коронки. При 1а колебаниях чглубь матрицы распространяются звуковые волны, затухающие. пч мере удаления от торца коронки. При установившемся . режиме механического изнашивания уравнение баланса энергии в любом сечении матрицы, параллельном тогчу коронки, может быть представлено в виде: д

су = 1т + (сцг)а

т 0

где хт - удельный поток энергии, проходящей через данное сечение материала матрицы коронки; 0(2) - удельный поток энергии, поглощаемой на единице высоты матрицы; 2. - высота матрицы, >4 -текущая координата расстояния.

Для плоской наружной поверхности, какой является торец коронч ки, можно принять звуковую волну плоской с конечной величиной сме-

«ения. Исходя из оснонаш уравнений динамики - уравнения движения и уравнения неразрывности и волнового уряЕнения получено выражение для количеств* пнергии, проходящей в единиц времени, через единичную площадь поверхн юти, расположенной перпендикулярно направлению распространения звука. Если звуковое давление и колебетельная скорость частиц материала матрицы находятся в фазе:

где р - плотность материала матрицы; Q - скорость звука; f\m - амплитуда колебаний: LU - круговая частота колебаний.

Часть потока энергии , проходящего вглубь матрицы коронки, поглощается материалом матрицы и идет на изменение его структуры и соответственно прочности, величина поглощенной энергии должна зависеть от свойств материала и ее наибольшее значение опре-деллзтся следущиы образом:

Величина С^) зависит от частоты и амплитуды колебаний по-герхностного слоя матрицы корлши. Отсюда следует, что в амплитудно-частотных (спеглролыик) характеристиках акустических колебаний, зарегистрированных на некотором расстоянии от поверхности забоя, содержится информация о потерях энергии на изменение» структуры материала матриц коронки, Аналогичные выводы сделаны и для процесса разрушения горной породы.

Источниками акуст»:ческих колебаний при бурении являются сква-жшшые процессы и работа бурового оборудования. Проблема заключалась в выделении акустических колебаний,чсил.зкших с разрушенном горной подолы, из суммарного акустического сигнала, принимаемого датчиком. Для со хязшенпя был изучен спектральный состав акустических колебаний всех источников, формирующих акустическое пола пг.и бурении:

- фоновчй акустический шум",

- р-.бота бурового оборудования;

- протеките промывочной жидкости;

- вибрации снаряда;

- работа породоразрушающего инструменто.

Экспериментальные исследования показали, что высокочастотные

акустические колебания в диапазоне 7-20 кГц возникают только при разрушении горной породи (рис.1). На основе этого был сделан вывод, что параметры диапазона 7-20 кГц акустического поля наиболее

Рис.1. Акустические спектры при бурении импрегнировеишой аяиаз-ной коронкой типа ИУВ-З в нормальной состоянии (X) и при полной потере реющих свойигв (2)

Рис.2. Акустический спектр с вцделенньи высокочастотная диапазоном 7-20 кГц

пригодны для контроля процессов разрушения горной породы и износа породоразрутащего инструмента при. бурении. В низкочастотном диапазоне 0-7 кГц акустического поля вместе с колебаниями, возникающими при взаимодействии породоразрушающего инструмента о забоем, присутствуют шумы от вибрации снаряда и других непроизво-« дительных процессов.

Проведенный анализ опубликованных результатов исследований чехпнизма разрушения горной породы позволил высказать гипотезу о том, что наиболее вероятными источниками акустических колебаний в диппазоне частот 7-20 кГц Пуи буре»ги, явпяотся процесс взаимодействия резцов инстг"мента с забоем и процесс трещинооб-разования, протекавший в горной породе перед ее разрушением.

11лформативные параметры акустического поля, которые можно было бы использовать для контроля процессов разрушения горной породы и износа породоразрушающего инструмента, должны отракать амплитудные и частотные свойства акустического сигнала в диапазоне 7-20 кГц. Одним из ваилейших параметров акустического сигнала, который напрямую связан с амплитудой колебаний, является энергия. Для отражения изменения энергии сигнала была выбрана величина , определяемая как интеграл от спектра по частоте в диапазоне 7-20

го,

^А-Д Х(^ с1 1

Величина \А/д определяется площадью, ограниченной кривой спектр1» в диапазоне 7-20 кП; (заштрихованная область на рис.2).

Для характеристики частотных свойств акустического сигнала был", выбрана величина f/< , которая представляет собой частоту, рллд-"1 дт-игаон 7-20 кГ-; ич д' о части й гавшвли онолгиячи

(ел', рис.2). Внутри Я1"»П'\:); п 7-2) какустического спектра с -г'чогс и правой сторон от чттолг пло.цади спектра рпшп..

чтет от и {ь а сторону ыпоких частот свидетельствует об увели'.тпи;. доли высокочастотных колебаний I) общем балансе энергии и, н »'Зорит, уг/емьшепие характеризует увеличение доли пизко-

чатготних колебаний.

.иоргии \Д/Л ч частота позноляют оценивать изменения я пгустич?ском сигнале как по амплитуде, так и по частоте. ¡>го позволяет использовать их в качестве информативных ппцамс^ров .чкус-тичоског» ¡юля для «"нтроля-процессов рал руле ни л горной пороли и износа птоодора"»рупг.?Г'его ииструмош а щи» алмазном буре!ши.

2. Спектральный состав акустических колебаний, связанны* с разрушением горной породы, определяется типом породоразрушавдего инструмента, свойствами горных пород и режимом бурения. Акусти-

чвский спектр может быть использован в качестве "образа" типа _

породоразрушающего инструмента.

Главными факторами, определяющими характер протекания процесса разрушения горной породы, являются тип породоразруиогащего инструмента, свойства горкой породы и режим бурения.

Для определения возможности использования акустического по-ш для создания "образа" типа алмазной коронки, сравнивались акус-■ические спектры, зафиксированные при бурении алмазными коронка-ш различных типов на постоянном ре;шме в породах У1-Х категорий ю буримости. Использовались коронки типа А4Д11, АКУ, И4ГС, 1юКС, !4ДП, ИоМ, Ш, ГС и др. диаметром 59 мм, которые охватили ииро-ий диапазон конструктирных параметров алмазного пор од ор аз руи ан-его инструмента: зернистости, качества алмазов, насыщенности !Г •д.. Каждый тип алмазной коронки при буренки создает акустичес-ое иоле определенного спектрального состава, в то же время од-отипные коронки имеют близкие акустические спектры (рис.3 и 4). лсокочястотный диапазон 7-20 кГц акустического спектра каждого ша коронки и\'ест характерное расположение максимумов амплиту-I по оси частот и распределение энергии внутри диапазона. Это ют возможность использовать акустический спектр в качестве"обра-I" типа ялмггзмоЯ коронки.

Исследования тписимости акустического поля от свойств раз-■рнпппгик горнт.!х пород проводились при бурении осадочных, маг-тичосчяк и мптаморфпчэских горных пород. Шесте с измерением. Устичроких спектров определялись величины, характеризующие фи-

свойства горных пород: плотность % , модуль га Ь , коэффициент Пуассона /V , скорое: ь распространения одольних упругих волн Цр , предел прочности породы на сжатнз . Кг-о:.лэ :/гого, изучались петрографические характеристики чо« пород. Н результате исследований получена определенная за-нмость »нормативных параметров акустического поля от Проч-■тных и .упругих свойств разбуриваемых горных пород (предела ипюсти породы на сжатие, скорости распространения продольных 1УГИХ волн, модуля йкга)._С ростом прочностных и упругих свойств 14.!х пород наблюдается увеличение энергии высокочастотного диа-она акустического, поля и смещение энергии в сторону высоких тот внутри диапазона (табл.1). Зависимость информативных пара-

Ркс.З. Акустические спектры при бурении биотитового гран«Т1 алмазными коронками типа БС (I), И6ДХ (2), И4Д11 (3) И А4д11 (4)

мптрои акустического поля и Тл от скорости распространения продольных упругих волн 1Гр и предела прочности породм на сяа-тие бок для горных пород, имеющие значительные различия в прочностных и упругих свойствах, носит линейный характер:

\Л/А = 0,72 1ГР-1,8 ; Гл = 0/18бР + Ь,Ч\

Таблиц,. I.

Физико-механические свойства горных пород и информативные параметры акустического поля при бурении коронкой типа 01АЗ

Горная порода г/см Е, мПа Я. км/с бук мПа усл.ед. Га '

Сланец глинистый 2,Ь7 1,2 0,37 2,2 19 0 7,0

Сланец песчанистый 2,01 3,27 0,32 2,0 56 0,12 8,0

Песчаник 2, та 5,19 0,21 3,3 83 0,47 0,4

Ловчоррит 2,01 7,16 0,28 6,3 19:> 2,81 9,3

Влияние режима бурения на параметры акустического поля изучалось при бурении алмазными коронками типа 02113, И4ДП, И6ДХ, БС, Л 4,/¿11, А ¡С/, К-01 диаметром 59 мм и коронками типа К-01-3 и ИМВ-3 диаметром 46 мм в породах УП-Х категорий по бурим., лтг. Диапазо:; изменения р<г*имныч параметров составлял, по осевой нагрузке Р от 0 до 20и0 даН, по частоте нраценил П от 0 до 1500 Расход промывочной жидкости не изменяло: и был равен 19 дм^/мин. Регулирование, редина бурения приводит к изменению акустического спектра, прт-г-м характер изменения такие зависит от типа применяемого' п:ч>1>дог!азруа)Шщего инструмента (табл.2). Частота вращения и осевая нагрузка неадекватны по характеру воздействия из акустический спектр. Увеличение частоты вращения снаряда приводит к росту энергии акустического поля в диапазоне 7-20 кГц и смещг -ния энергии в сторону низких частот внутри диапазона. Зависимость энергии от частоты вращения для большинства коронок аппроксимируется 'линейной функцией вида Ц=КХ+6. Зависимость инфор-иативнглс параметров акустического поля от осевой нагрузки нели-гайна, внутри диапазона регулирования осевой нагрузки возможно по-гвленио. экстремумов для функции энергии \Л?л и частоты Ту от зеевой нагрузки как аргумента.

Таблица 2.

Информативные парамьтры акустического поля при бурении гранито-гнейса коронками типа И4ДП и А4ДП

Тип И4ДП А4ДЛ

коронки

500 1000 1500 2000 500 1000 1500 2000

I. Энергия усл.ед «

100 6 5,5 7 5,5 4 7,5 10,5 8

20П 8,5 7 9 15 4,5 9 14 II

ЗОС 10,5 11,5 14,5 17 4,5 14 19,5 13,6

, 400 16.5 22,5 25,5 25,5 5 24,5 24 36

500 21 36 39,5 30,5 9 67,5 46,5 49

2. Частота fA ,

100 И,2 11,3 12,3 12*4 12,6 П,7 11,3 11,8

200 10,5 ".4 11,8 10,0 12,9 10,9 10,8 11,2

300 10,4 1х,6 11,9 И,1 12,X 10,5 10,7 10,8

400 10,3 10,4 11,6 11,3 11,8 10,4 10,6 10,5

500 10,4 10,3 П,1 10,8 10,0 10,4 10,7 10,4

Исс ледования показали зависимость спектргльного состава акустических колебаний, возникающих при взаимодействии породоразру-шаицего инс"ру1.знта с забоем, от типа породоразруигающего инструмента, физико-механических свойств горных пород и ренина бурения. Фиксирование двух факторов в процессе бурония дает возможность по изменению спектрального состава акустического поля определять отклонения в третьем факторе. При фиксировании ре«шла бурения по определенной горной породе акустический спектр может быть ис-полоэоваи в качестве "образа" типа породоразрушапдего инструмента для выявления отклонений в его конструктивных особенностях.

, 3, Информативные параметры акустического поля могут бьггь использованы для оценки механизма разрушения горной породы. С по-ашрщ обеспечения при бурении минимальных затрат энергии на разрушение. критерием оптимальности пронесся разрушения горной пог роды является достижение при бурении о помощью регулирования режима- бурения или подборой типа породоразрушающего инструмента уинкмальныхэначений частоты Та при достаточно высоких значениях вНвртЧИ У/Л I

Оценка механизма разрушения горной породы основывается на

принятом критерии оптимальности. С точки зрения физики процесса разрушения, наиболее объективна., критерием оптимальности является величина удельной объемно" энергии разрушения

ХЛ/ N3 „ , з

где >Л/, - эк^ргия, расходуемая на забое, Дл; й - объем разру-иенной породы, м3; Л/3 - мощность, реализуемая на аабое, Вт',

\/и - механическая скорость бурения, м/с 5 - площадь забоя,М, Удельные энергозатраты являются объективным критерием любого физического процесса и широко используются для оценки процесса дез--интеграции руд в обогащении и управления режимом резшшя в металлообрабатывающей промышленности. Сложность применении критерия

^/ц непосредственно в процессе разрушения горной породы заключается а выделении энергии, расходуемой на забое , из суммарных энергозатрат, кудп кроме входят потери энергии на вращение снаряда и в трансмиссии станка.

Связь информативных параметров акустического поля с удельной объемной энергией разрушения изучалась при определен и зависимости акустического поля от типа применяе юго породоргирушащего инструмента, свойств горных пород и режима бурения. Для вычисления , мощность,реализуемая на забое, определялась как разность изморенных мощностей на бурение и холостое вращение. Исследования показали, что чэменение при бурении типа алмазной коронки, горной породы или режима бурения приводит к изменению из только параметров акустического поля, но « значений механической скорости бурения, мощности, реализуемой на забое, и удельной объОг-ной энергии разрушения. Для всех факторс-з, определяю»« характер процесса ра.рупенчя горюй породы ( тип породо^азрушащего инструмента, р?ш1м бурения и свойства горной породы), выявлони качественно одинаковая с?лзь удельной объемной энергии разрушения а час-готс;1 (табл.о).

Таблица 3.

Коз^фициег: ?ы корреляции информативных параметров аку^гичег -coro поля с удельной объемной энергией разрушения

Информативные параметры акустического поля Изменяемый фактор

Тип алмазной коронки Гскнм бурения Горная порода

\Л/д -0,70 -0,88 0,89

и . 0,75 0,78 о,es

При возрастании частоты ^ удельная объемная энергия разрушения увеличивается. Таким образом, именно спектральный состав высокочастотных колебаний является определяющим фактором для энергоемкости разрушения. Связь энергии с удельной объемной энергией разрушения при изменении типа породоратрушающего инструмент а и рекиыа бурения целом отличается от зависимости при

смене горной породы (табл.3). Б первом случае рост удельной объемной энергии разрушения происходит вместе с уьеличением частоты

1а » но увеличение энергии \Л/д, (при неизменной частоте ) приводит к снижению . При смене горной породы рст удельной объе» ной энергии разрушения сопровождается как увеличением частоты ^ так и ростом энергии .

Характер изменения уде-ьной объемной энергии разрушения и информативных параыетрог акустического поля при смене горной породы можно объяснит'- на основе установленной зависимости параметров акустического поля от прочностных и упругих свойств горних пород. Увелчч^.ше энергии ч/\/А и частоты ^ говорит об увеличени прочностных свойств горных пород, трудности их разбуривания. Имен но поэ 0(.<у повышение энергии ^Х/р, и частоты Т ^ сопровождается ростом удельной объемной энергии разрушения. Полностью объяснить связь спектрального состава акустического поля с удельной объемной эне-гией разрушения по-видимому можно лишь на урсзне микропро цессов, протекающих при разрушении. Это должно стать предметом дальнейших исследований, однако уже сейчас результаты экспериментальных исследований позволяют сформулировать критерий оптимально ти процесса разрушения горной породы на основе спектрального анализа акустического поля. На основе экспериментально установленной зависимости удильной объемной энергии разрушения с информативными параметрами высокочастотного диапазона 7-20 кГц акустического поля критерий оптимальности процесса разрушения можно сформировать в виде:

—и тоэс

f^ —»• т » п

Физический смысл этого критерия заключается в необходимости разрушать горную породу о максимальной интенсивностью, но с наименьшей энергоемкостью. Критерий модет использоваться для оценки механизма уаарушеньл го{ной породы при бурении конкретным породора; рушащим инструментом, поиска оптимального режима бурения. Пзр-<зпзкти;нш направлением исследований является использование инфо{ мативных параметров акустического полл для разработки новой клас-

сификации горних пород по буримести.

'). Про песо изнашивания городсрззрушзпщего инструмента связан с энергией нкустических колебаний в диапп?она мое гот^7-20 кГц.

тояиио инструмента и прогнозировать интенсивность износа (росуро)

При экспериментальных исследованиях изучалась зав1^имссть энергии от состояния и интенсивности износа алмазной коронки.

Для установления зависимости энергии от состояния коронки различные типы однос ойных и импрвгниропанних амазных коронок отбуривались на постоянных рокимах. В результате исследований установлено, что при бурении импрогнированннми коронками но режимах, обеспечивающих самозатачиваемость, энергия п течение? всего времени бурония не изменяется, Изменение энергии ^^ происходит только при полном износо алмэзосодоржащого слоя матрицы импрогнирован--но» коронки: л акустическом спектре отсутствуют колебания, выше 7 кГц и, соответственно, эноргия У^а, равна нулю. Ухудшение режущих свойств алмазов г однослойных и импрогпиросаннмх коронках при бурении сопровождается уменьшением энергии . Таким образом, уменьшение энопгии \л/а можно использовать в качество контролирующего признака ухудшения режущих свойств коронки в процессе бурения.

Зависимость интенсивности износо 3 импрогпировзнной корон-<и от энергии устанавливалась по результатам отработки коронйк гипа ИбдХ, и'!,'|:1, БС и ¡¡I диачотроч 59 нм и коронки типа ИМВ-Э дне-ттреч мм и монолите биотитового гра'.лта IX категории по бури-

Клждг,; воронкой бурилось носколько скважин глубиной 0,5 м ¡рч г )плнчш"! оочотоиии осооой нагрузки и частоты прагюияя. Роо-;од промнвоччой жидкости но изгонялся и был равен 19 дм^/нии. Частота враценш снаряда изменялась в пределах 100-1000 нич"-'', осе-зал - 500-1500 дв11. Средний износ матрицы коронки по еысо-

опредолялсл профиломотрон по окончании бурения по 15 точкам па •орце коронки. При расчетах использовалось оредноо значение энер-Ч1и \Л/\ по 5 точкам измерения (.интервал 0,1 и по глубине сква-;инн). Интенсивность износа коронки 3 на данном режиме опроде-;ялась по формуле:

3— , мм/м ,

до д Ь - средний износ патрицы коронки по высоте, нм; &Н - нн-чрвпл бурения, м.

Рис.5. Зависимости интенсивности износа коронки 3 от

энергии при бурении коронками типа ИбДХ, 111 и ИМИ

о - ИбДХ, X - Ш, А - ИМВ

При малых значениях энергии \Л/д интенсивность износа незначительна, рост зноргии УУ^ сопровождается увеличэнием интенсивности износа коронки. Для всех типов коронок зависимости интенсивности износа 3 от зноргии \ГЧ/А аппроксимируются линейными функциями (рис.5). Это дает возможность прогнозировать интенсивность износа коронки на различных режимах. Проводя тариро-вочноо бурение и установив коэффициент Л на одном из режимов . ( к = по известным значениям зноргии можно прогнози-

ровать интенсивность износа коронки:

3=кУ\/А „мм/м.

При извостной интенсивности износа коронки оо ресурс определяется по формуле:

Н_ ^н

к . м .

гдо - высота алмазоюдоржащого слоя коронки, мм.

Буренио при повышенных значениях энергии может привести к образованию на торцо коронки борозд-канавок. Это говорит о необходимости установления для каждого типа алмазной коронки предельного уровня зноргии , провншение которого мояет привости к развитию аномальных видов износа,

Ироведошшо зкепорииентальныо исслодования подтвердили прод-придположонн'о о тесной связи акустических колебаний с процессом износа породоразрушающого инструмента. Изморонио эноргии ^д дает возможное, ь опоратишю определять ухудшение рожуших свойств коронки и прогнозировать интенсивность износа (ресурс) имирогни-рованной коронки на различных режимах.

Основные выводы и рекомендации

1. Информативными нарямотрами акустического поля для объективного контроля процессов разрушения горной породи и износа поро-доразругаашцего инструмента являются параметры, характеризующие амплитудно-частотные свойства диапазона 7-20 кГц : энергия диапа- • зона и частота, разделяющая диапазон на две части с равными энергиями, .

2. Установлена зависимость информативных параметров акустического поля от типа, состояния, и интенсивности износа алмазного по-родорязрушапвюго инструмента, физико-механических свойств горных юрод, режима бурения и удольной объемной эноргии разрушения.

i 3. Разработанный метод ускоренных испытаниЛ алмазного породоразрушающего инструмента на осноив спектрального анализа акустического п"»ля предназначен для оценки работоспособности макетов, экспериментальных и опытиих образцов инструмента по срлпнонню с лучшими образцами серийной продукции и проверки качостпа сори.шо выпускаемой продукции.

Ч. Метод позволяет для конкретного породоризрушаииого инструмента оценивать механизм разрушения горной породи, опродолять об-лаотъ оптимальных режимов бурения, прогнозировать ресурс на различных рожимах (для имкрегнированных коронок), кои-ссллровать состояние инструмента при бурении и рекомендовать рациональные области применения. Метод позволяет выявлять отклонения в серийно выпускаемой продукции.

з. Илрспективными налравланични исследований акусгичоского поля является: созданио шкалы буримое™ горних пород, разработки тох-ничеоких средств для управления процессом бурония, наработка ро-. комендаций по повершенстроваиию конструкций породоразруиающого инструмента и установление физической сущнисти явления разрушения горной породь при бурении.

Основнио положении диссертации опубликованы в слпдуоцих работах. .

I. Лрхипой Л.Г. Исследование взаимодействия породоразрушап-щего инструмента о забоем при шароаочном и гидроударно-ал.чазном бурении.- В сб.; Тезисы докл. 1У регион.науч.тохн.конф. молодых ученых и специалистов Севоро-запада "Научные и практические проблемы геологоразведки".Л.,ВИТР.1991, с.П-12.

,2. Архипов А.Г., Авдеев С.А. Исследование процесса Сурония акуогическим методом в стендовых условиях.- Там ке, c.i5-16.

3, Архипов А.Г., Авдеер С.А., Андроов O.G., Шатров Б.Б. Использование акустических полей для тцонки эффективности конструкции алмазных коронок при бурении,- В сб.: Применение синтетических алмазов в бурении. Л..ВИТРД991, 0.65-72,.

Ц. Архипов А,Г., Гореликов В.Г. Исследования распределония энергии не забое при алмазном буреаии.- В об.: Исслодование и внедрение новых технических средств для бурения геологоразведочных скважин. Л. ,BHTP,I99i, с.Ш-122.

5. Архипов А.Г., Авдеев O.A., Андреев О.С., Шатров Б.Б.. Исследование возмоинооти контроля состояния коронки при бурении на оонсве чкуотических измерений,- Р сб.: Автоматизация процесса бурения на геологоразведочных работах. СПб. ,ВИТР, 1992 , 0.69-75.

6. Архипов А.Г. Оценка механизма разрушения, горной породы при бурении алмазными ксронкамк на основе спектрального внзлиза акустического поля.- В сб.: Тезисы докл. 2-го межд.симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб.,1992,с.82.

7. A.C. I66I386, СССР. Способ регулирования рекима бурения./ С.А.Авдеев, О.С.Андреев, А.Г.Архипов, Н.П.Рудакова, Ь.Б.Шатров. Заявл. 03.07.89. Опубл. 07.07.91. Бпл.№25.

рта еигтгр, злк.22 7, -ruf.fce. К 02.93