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

инистерство науки, высшей школы и технической политики Р'£

анкт-Петербургский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции подена Трудового Красного Знамени Государственный горный институт имени Г.В.Плеханоьа ( Технически)! университет )

На правах руко.лси

АРШ'.ЭЗ Алексей Германович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УСКОРЕННЫХ ШКШШ ШАЗНОГО ГОРОДОРАЗРУШАЩЕШ ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА А1£УСТИЧЕСК0П) ШЛЯ

»цнальность 05.15.14 - "Технология и техника геологоразведочных работ"

Автореферат дисОеугации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

/

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техники разведки (ГШ'Р).

Научный руководитель - доктор технических н^к

13.11. Оншции

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Л.К.Горшков

- кандидат технических наук Ю.Е.Будюков

Ведущая организация - Государственное геологическое предприятие "Севзапгеология"

Защита состоится " 14 " 1993 г. в 4.5 час.

мин. на заседании специализированного совета Д.063 Л5.12 в Санкт-Петербургском Государственном горном институте имени Г.I). Плеханова ио адресу: .199026, Санкт-Петербург, В.О., 21-я лиши д.2, пуд.» 2.21 Ч .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Апто^Чсрат разослан " 2. " ([ПрСЛЯ 1993 г.

УненкП секретарь

специализированного Совета, I

доктор технических наук, | -

профессор 'С - И.П.Тимофеев

\

ОЕЩАЯ ХАРАЮЁРйСти РАБОТЫ

Актуальность теми. Разработка и серийный выпуск новых типов шазного породоразрушающего инструмента является важной задачей эвышания эффективности бурения. Неотъемлемой частью процессов зэработки и серийного выпуска инструмента являются испытания, в зде которых проверяется эффективность заложенных конструктивных гшений и оценивается качество изготовления. До настоящего време-1 основным методом испытаний является совместная отработка ошл-и. и базовых образцов инструмента в производственных услоьиях. юизводственныэ испытания сопряжены с большой трудоемкостью, рас-щуты во времени и становятся нерентабельными в рыночных усло-1ях. При этом информативность производственных испытаний нередко достаточна для принятия объективных и быстрых реяений по совер-нствованию конструкции инструмента и технологии его изготовле-я. В зтих условиях большое значение приобретает разработка меда ускоренных испытаний алмазного породоразрушающего инструмен-, который мог бы быть применен при разработке и серийном выпус-инструмента.

При испытаниях на стадии разработки нового типа породораз-гаащего инструмента важно оперативно оценить его работосшсоб-сть. Для этого необходимо получить информацию об оптимальных кимах бурения и прогнозировать ресурс инструмента. Определение гимальных режимов бурения основывается на принятом критерии сп-¿альности. С точки зрения физики процесса разрушения горной по-хы, наиболее объективным критерием оптимальности является вели-1а удельной объемной энергии разрушения , характеризующая граты энергии на единицу объема разрушенной породы. Прогноз ре~ зса инструмента на различных режимах модно осуществить, контро-зуя интенсивность износа коронки 3 и процессе бурения. Для ггроля величин \Л/й и 3 необходимо установить их связь с ка-ш-чибо величинами, которые можно измерять в процессе бурения.

Контроль качества при серийном выпуске породоразрушающего' кн-|умента может быть решен путем создания опорного "образа" эталон-'о образца типа породоразрушающего инструмента. Тогда испыта-

по проверке качества серийно-выцускаемого инструмента сведут-к сравнению "образов" эталонного и изготовленного инструментов.

Величины удельной объемной энергии разрушения и интенсивнос-износа инструмента являются производными от процесса разрушения ной породы, да и сам процесс разрушения при бурении конкретным

породор^рутяяцим инструментом имеет характерные особенности. Отсюда можно предположить, что информация о величинах и 3 и "образе" типа инструмента содержится в параметрах физических явлений, сопровождающих процесс разрушения. Одно из тг.чих явлений -акустическое поле. Анализ результатов акустических исследований показал, что изучение акустического поля является перспективным направлением для разработки методов и технических средств ускорен:1.:« испытаний алмазного породоразрушающего инструмента. Акустическое поле может стать источником информации о вели'чщах и Э и служить "образом" типа породораирушащего инструмента.

Работа выполнялась во Всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техники разведки в соответствии с постановлением коллегии Мингоо СССР №201 от 05.06.fc6 , этап 112 договора 203,и в рамках программы Госкомитета но геологии Российской Федерации "Синтетические ал мази России", этап 4 договора 734.

Цель работы. Разработка метода ускоренных испытаний олмазногс породоразрушан;цого инструмента па основе спектрального анализа акустического поля.

Задачи исследований:

- определение наиболее информативных параметров акустического поля для контроля процессов разрушения горной породи и износа порсдоразрупсетдего инструмента;

- установление зависимости информативных параметров акустического поля от типа, состояния и юггснсиености износа породоразрушающего инструмента, физико-мохмшчееккх свойств разбуриваемых горних пород, ролима бурения и удельно!' обьомтшй тшг.пш ивзрутения;

- опмгно-пюг-.ь.'пленноо опрсбс>в..1»;9 метода с ¡рльэ выяснения его г^з.мо.;<;к':отгД при ровенш рл;»дич:н« задач, возникающих при разработке *; г'.'п-ийним г.ацуске породоразрушающего инструмент?.

Метрам исспс.^онпний. Анализ известных научных работ г.о испытаниям алмазного ногодоразруп'дачого инструмента и акустическим исследования« в процессе бурения. Теоретическое обоснование взаимосвязи процессов разрушения горной породы и износа породоразрушаи-щего инструмента со спек трал ьньм составом акустических колебаний. Экспериментальные исследования акустического поля в стендовых и производственных условиях с использованием стандартной измерительной аппаратуры и социализированного датчика шсустических колебаний. Спектральный и амплитудно-временной шт мз акустических "• сшиалов. Обработка экспериментальных данных на ЭШ с использоеп-

■шеи методов математической статистики.

На основе результатов экспериментальных и теоретических ис-зледований были сформулированы осно^шз ппломенил метода ускоренных испытаний алмазного породоразрушаи'цеги инструмента.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснован выбор информативных параметров высокочастотного диапазона 7-23 крд акустического поля для объективного контроля процессов разрушения горной породы и износа порэдоразруиаэдего инструмента. йсспери-ментально установлены зависимости информативных пярямьтров акустического пгля от типа, состояния и интенсивности износа пзродо-разрупаххцего инструмента, физико-механических свойств горных пород, режима бурения и удельной объемной анергии разрушения. Разработан метод ускоренных испытаний алмаэнсги породоразгуиащего инстру\;~'нта на основе спектрального анализа акустического поли. Метод зачтен двумя аьтор кили свидетельствами.

Достпьерноств научных положений подтверждается большим объемом теоретических и экспериментальна исследований, использованием современных методов исследиьшиЯ и обработки результатов зкспз-риментов, практическим опробованием разработанного кэтода.

Практическая ценность г-абогы заключается и возмо.дюсти использования результатов анализа акустического шля для ускоренных испытаний алмазного лородоразрушагудего инструмента.

Метод позволяет для конкретного л ор о д о р 13 ру!_ а». - е г о инструиен-та оценивать механизм разрушения горной породы, определять область отимальных ре.лимов бурения, прогнозировать ресурс на различных режимах (для интернированной коронки), контролировать состоянио при бурении и рекогзндовать рациональные области применения, '.'.з-тод дает возможность выявлять отклонения в серийно выпускаемП продукции.

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

Апробация работы. Основные результаты исследований и о.дель-ныо положения работы докладывались и обсуядались на ХУ региональной научно-техничеа.ой конференции молодых ученых и специалистов Северо-запада "Научные и практические проблемы геологоразведки" (1991), 2-»-м ме:кдународном симпозиуме по бурению скважин в ослож-

- б -

пенных условиях (1992). Серии работ по использованию акустически) полей для решония практических задач бурения занимали призовые песта d конкурсах внеплановых работ НТО "Горное" (1989г.-II место, 1"90г,-1 место, 1991г.-III место).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пость статей и получи»» 'одно авторское свидетельство и одно положительное репейке по заявкам «а изобротение*.

Объем и структура работы. Дцссортацил состоит из введения,

6 глав и выводов, содержит 150 страниц машинописного текста, 22 таблицы, иллюстрирована 30 рисунками. Список литературы включает 87 наименований.

Введение содержит обоснование актуальности темы, оо'щуш характеристику работы, а также основные положения выносимые на защиту.

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

Во второй главе поставлены цель и задачи исследовышЯ, описана методика исследований, технические средства и метрологическое обеспеченно 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 илме-зной коронки, произвел« к-оссификацил процессов, протекающих а скважине при бурении, по частоте акустических колебаний, предложена гипотеза о генезисе высокочастотных акустических колебаний в процессе бурения. •

D чэтьертой главе приведены результату .-жсгтариА.-ентальпых исследований зависимости акустического поля от типп, состояния и интенсивности износа ллмагнпго породоразрувтгацего инструмента, . 'Л1эикоч*охтшчоских свойств горних пород, режимя бурения к удельной г'бьеу!ГС),1 энергии разрушения.

Ii лятий глале сформулирована основные положения нетодп ускорении испытаний алмазного породораэрушающего инструмента на основе спектрального анализа акустического поля и приведены примеры его практического использования. .

В ре стой главе показана экономическая эффективность использования метода ускоренных испытаний.

В заключении »("риведены основные) в ив оды по работе.

Работа над диссертацией проводилась под нлучнм.груковод-

¡твои доктора технических наук В.П.Онищина, которому автор выра-¡ает свою глубокую признательность.

СОДРР&нНИЕ РАБОТЫ

, На основании результатов исследований были сформулировали ¡ледующие защищаемые положения:

I. Акустические колебания в диапазоне частот 1-7,0 кГц, воз-ткающие при взаимодействии породоразрушаоцего инструмента с за-

юды. Информативными параметрами акустического поля для обт,октив-гого контроля процессов разрушения горной пород» и износа поро-[оразрушаю!цвго ;:нгструмьнта являются параметры, характеризуют»" мплиту.цно-частотные свойства диапазона 7-20 кГц - анергия дна- . ¡азона Wa л частота, разделявшая диапазон на две части с рав-1ыми энергиями, fs

Разрешение горной породи и износ породоразрушаюцего инстру-(внга являются следствие процесса взаимодействия пары "инстру-'ент-горная порода", й триботехнике существует гипотеза, базируются на положении, что механическое изнашивание при трении пре?. ;таьляет собой процесс усталостного разрушония поверхностного слоя, фоисходящего в результате вынувде.1ных колебаний частиц матери--ia на выступающие части которых действуют переменные силы.

В процессе взаимодействия породиразрушалхаего инструмента с •орной породой имеет место преобразование кинетической энергии фащаюцегося снаряда. Допустим, что источниками Еозчущаичих колебаний являются частицы торцевой поверхности матрицы коронки, При а колебаниях чглубь матрицы распространяются звуковые волны, за-'ухающио. л"» мере удаления от торца коронки. При устаноьившемся . 1ежиме механического изнашивания уравнение баланса энергии в лв-ioM сечении матрицы, параллельном тог'^у воронки, может б!ль предъявлено в виде: ^

q, = Im+jQ(z)dz

■де - удельный поток энергии, проходящей через данное сечете материала матрицы коронки; Q{£) - удельный поток энергии, nor-ющаемой на единице высоты матрицы; Z - высота матрицы, X. -екущая координата расстояния.

Для плоской наружной поверхности, какой является торец корон-< :и, можно принять звуковую волну плоской с конечной величиной сме-

щения. Исходя из основных уравнений динамики - уравнения движения и уравнения неразрывности и волнового уравнения получено выражение для количества онергии, проходящей в единицу времени, через единичную пло'цядь поверхн )сти, расположенно» перпендикулярно направлению распространения звука. Если звуковое давление и колебетельная скорость частиц материала матрицы находятся в фазе:

где р - плотггость материала матрицы; О - скорость звука", Ат - амплитуда колебаний! Ш - круговая частота колебаний.

Часть потока анергии Тщ . проходящего вглубь матрицы коронки, поглощается материалом матриц и идет на изменение еги структуры и соответственно прочности. Ьеличина поглощенной энергии должна зависеть от свойств материала и ее наибольшее значение опре деляэтея следующим образом:

герхностного слоя матрицы коронки. Отсюда следует, что в амплитудно-частотных (спек?рольных) характеристиках акустических колебаний, зарегистрированных на некотором расстоянии от поверхности забоя, содержится информация о потерях энергии на изменение структуры материала матрицы коронки. Аналогичные выводи сделаны и для процесса разрушения горной породы.

Источниками акустических колебаний при бурении являются сква жшшые процессы и работа бурового оборудования. Проблема заключалась п выделении акустических колебан!1Й,чсвяэанннх с разрушением горной пороли, ил суммарного акустического сигнала, принимаемого датчиком. Для с;; решения б мл изучен спектральный состав акус тических колебаний всех источников, формирующих акустическое полз п^и бурении:

- фоновчЯ акустический шут.»;

- работа бурового оборудования;

- протекцию промывочной жидкости;

- вибрации снаряда;

- работа породоразрутаащего инструмента.

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, о параметры диапазона 7-20 кГц акустического поля наиболее

зависит от частоты и амплитуды колебаний по-

Рис.2. Акустический спектр о ввдвленньм высокочастотным диапазоном 7-:Ю кГц

пригодны для контроля процессов разрушения горной породы и износа породоразрушающего инструмента при бурении, и низкочастотном диапазоне 0-7 кГц акустического поля вместо с колебаниями, возникающими при взаимодействии породоразрушающего инструмента о завоем, присутствуют шумы от вибрации снаряда и других непроизводительных процессов.

Проведенный анализ опубликованных результатов исследований механизма разрушения горной породы позволил высказать гипотезу о том, что наиболее вероятными источниками акустически* колебаний в диапазоне частот 7-20 кГц п^и бурен-и, являются процесс взаимодействия резцов инстг'мента с забоем и процесс трещинооб-разования, протекающий в горной городе перед ее разрушением.

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

КП': ' 20,

Величина \Л/д определяется площадью, ограниченной кривой спектра в диапазоне 7-20 (заштрихованная область на рис.2).

Для характеристики частотных свойств акустического сигнала была выбрала величина ^ , которая представляет собой частоту, разделяющую диапазон 7-20 кГц иа Д'е части Ъ равными энергиями (см." рис.2). Внутри диапаз(ча 7-20 кГц акустического спектра с левой и правой сторон от частоты площади спектра равнь. Смещение частоты Ть в сторону высоких частот свидетельствует об увеличение доли высокочастотных колебаний » общем балансе энергии и, л-.оборот, уменьшение ^ характеризует увеличение доли низкочастотных колебаний.

Энергия и частота позволяют оценивать изменения

в акустнчоском сигнале как по амплитуде, так и по частоте. Это позволяет использовать их в качестве информативных параметров-акустического поля для контроля-процессов разрупенил горной породы и износа потюдордзрушзя'чего инструмента при алмазном бурении.

2. Спектральный состав акустических колебаний, связанны:: с эазрушениен горной породи, определяется типом породоразрушаадего тнструментз. свойствам^ горных пород й режимом бурения. Акусти-

геский спектр может быть использован в качестве "образа" типа_

юродоразрушающего инструмента.

Главными факторами, определяющими характер протекания провеса разрушения горной породы, являются тип породоразрушшощего 1нструмента, свойства горной породы и режим бурения.

Для определения возможности использования акустического поя дпя создания "образа" типа алмазной коронки, сравнивались акус-ические спектры, зафиксированные при бурении алмазными коронка-и различных типов на постоянном ре;киме в породах У1-Х категорий

0 буримости. Использовались коронки типа А4ДП, ЛКУ, И4ГС, ШШЗ, 4ДП, И6ДХ, ИЖ, 15С и др. диметром 59 мм, которые охватили тиро-ий диапазон конструктивных параметров алмазного породорагрушаю-ого инструмента: зернистости, качестйа алмазов, насыщенности и .д.. Каждый тип алмазной коронки при бурении создает акустичес-ое поле определенного спектрального состава* в то же время од-этипные коронки имеют близкие акустические спектры (рю.З и 4)« лсокочастотний диапазон 7-20 кГц шсусти'геского спектра каждого ша коронки имеет характерное расположение максимумов амплиту-

1 по оси частот и распределение энергии внутри диапазона. Это

ют возможность использовать акустический спектр в качествэ"обра-|" типа ялмпзной коронки.

Исследования зависимости акустического поля от свойств раз-■рипаеммх горных пород проводились при бурении осадочных, «аттических и мотам орфических горных пород. Шесте с измерением, устических спектров определялись величины, характеризуете фн-ко-мех.лич'зские сшйства горных пород: плотность У , модуль га Н , коэффициент Пуассона /И , скорость распространения одопьннх упругих волн Цр , предел прочности породы на сясатиэ Креме отого, изучались петрографические характеристики рнмх пород. В результате исследований получена определенная за-зимость информативных параметров акустического поля с* проч-:тных и упругих свойств разбуриваемых горных пород (предела эчности породы на сжатие, скорости распространения продольных ->угих поли, модуля Й1га). С ростом прочностных и упругих свойств ли« пород наблюдается увеличение энергий высокочастотного диа-5она акустического поля и смещение энергии в сторону высоких :тот внутри диапазона (табл.1). Зависимость информативных пара*-

Р^о.З. Акустические спектры при бурении биотитового гранита алмазными коронками типа ВС (I), И6ДК (2), 1ЩД (3) и А4Д[1 (4)

Рис.4. Акустические спектры при бурении биотитового гранита аямазньми коронками типа ИоКС (I) и ¡*2Г>1 (2)

•трои акустического поля и Г ^ от скорости распространения, юдольных упругих волн \Гр и предела прочности пород.'! на сла-:е бок для горных пород, имеющих значительные различия в проч-)стннх и упругих свойствах, носит линейный характер:

^/л^г^р-^ ; 0/18 бр+6,4;

^ =1,Т !0-гбс,к-017; £ = |,2-1бг(5сЖ+7((.

Таблиц.. I.

Физико-механические свойства горних пород и информативные [раметры акустического поля при бурении коронкой типа (ПАЗ

Горная порода аг.3 г/см0 Е, мЛа Я, . км/с мПа усл.ед. /а ' кГц

Сланец 2,07 1,2 0,37 2,2 19 0 7,0

линистый

Сланец

есчднистий 2,01 3,27 0,32 2,а 56 •0,12 0,0

Песчаник 2,75 5,19 0,21 3,3 83 0,47 8,4

Ловчоррит 2,61 7,16 0,28 6,3 19э 2,81 9,3

Шляние регаша бурения на параметры акустического поля изу-чось при бурении алмазными коронками типа 02ИЗ, П4ДП, П6ДХ, БС, ,ч11, ЛКУ, К-01 диаметром 59 мм и коронками типа К-01-3 и ШВ-3 я-.етром 46 мм в породах УП-Х категорий по бурим; ^ти. Дюпазо:-; менения режимных параметров составлял, по осевой нагрузке Р 0 до 2000 даП, по частоте вращения П от 0 до 1500 мшГ*. сход промывочной жидкости не изменялся и был равен 19 дм^/мин. гулировг'ние режима бурения приводит к изменению акустического .метра, гпг'с:.! характер изменения также зависит от типа 1г<)пме-:мого пег1'-1."!'чзрушающего инструмента (табл.2). Частота враще-|Т и oc.CH.ri нагрузка неадекватны по хар,актеру воздействия на /стпчоскнй спектр. Увеличение частоты вращения снаряда приводиг посту анергии акустического поля в диапазоне 7-20 кГц и смеще -о энергии в сторону низких частот внутри диапазона. Зависимость -рпш от частоты вращения для большинства коронок аппретируется линейной функцией вида Ц»КХ*6. Зависимость инфор- ' гивных параметров акустического поля от осевой нагрузки нели-1на, внутри диапазона регулирования осевой нагрузки возможно по-гение. экстремумов для функции энергии и частоты Гл ог

звой нагрузки кок аргумента.

Таблица 2.

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

Тип И4ДП А4Ж

коронки

П.нин^4^ 500 1000 1500 2000 500 1000 1500 2000

I. Сергия У^а , усл.ед •

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

200 . 8,5 7 9 15 4,5 9 14 II

ЭОС 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 и , кГц

100 11,2 IX,3 12,3 12,4 12,6 11,7 11,3 11,8

200 IX,4 11,8 10,0 12,9 10,9 10,8 11,2

300 10,4 1а,б Л,9 и.х 12,1 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 ГО,8 11,1 10,8 10,0 10,4 10,7 10,4

Исследования показали зависимость спектрального состава аку< тических колебаний, возникающих при взаимодействии породоразру-шающего инсрукзнта с забоем, от типа породоразрушающего инструмента, физико-механических свойств горных пород и рекима бурения, Фиксирование двух факторов в процессе бурония дает возможность по изменению спектрального состава акустического поля определять отклонения в третьем факторе. При фиксировании режима бурения по определенной горной породе акустический спектр может быть ис-полозован в качестве "образа" типа породоразрушающего инструмента для выявления отклонений в его конструктивных особенностях.

3. Информативные параметры акустического поля могут быть использованы для оценки механизма разрушения горной породы. С позиции обеспечения при бурении минимальных затрат энергии на раз» рушение, критерием оптимальности процесса разрушения горной породи ¿.ваяется достижение при бурении о помощью регулирования режима бурения или гтодбором типа породоразрушающего инструмента минимальных анугеНий частоты при достаточно высоких значениях анергии УУд. .

Оценка механизма разрушения горной породы основывается на

Дк/м3,

тнятом критерии оптимальности. С точки зрения физики процесса »руления, наиболее объективна*, критерием оптимальности являет-

пеличина удельной объемно" энергии разрупения V/» : ц - Ун.$ ,

) WJ - экэргия, расходуемая на забое, Дж; Ц - объем разру-шой породы, м3; Л/3 - мощность, реализуемая на аабое, Вт; н - механическая скорость бурения, м/с ; 5 . - площадь забоя,«, !Льныо энергозатраты являются объективным критерием любого юского процесса и ик.-роко используются для оценки процесса дез--■еграции руд в обогащении и управления режимом резания в метал-Срабатывающей пром./лленности. Сложность применений критерия У^ непосредственно и процессе разрушения горной породы заключал з вццелении энергии, расходуемой на забое , из сум-1Н1К энергозатрат, кудп кроме входят потери энергии на врале снаряда а в трансмиссии станка.

Связь информативных параметров акустического поля с удель-обьемной энергией разрушения изучалась при определен и эавн-ости акустического поля от типа применяв юго породоргшрутаающе-инструмепта, свойств горных пород к режима бурения. Дяя иычне-ия , мощность,реализуемая на забое, определялась как раз-ть измеренных мощностей на бурение и холостое вращение. Я-слоги ¡ля показали, что изменение при бурении типа алмазной корон-горной породы или режима бурения приводит к изменению из толь-параметров акустического поля, но и.значений механической ско-ти бурения, мощности, реализуемой на забое, и удельной объег-энергии рчзруиения. Для всех фзкторсч, определяю»'« харастер цесса ра.ругенчя горной породы ( тип пор од о V аз руп ьхще г о ннстру-ха, р?«им бугения и свойства горюй породы), сыявлоии качество одштгоп.-д срлзь удельной объемной энергии разрушения ц час-ой ('Г ас 1. Г; >.

Таблица 3.

КоэЭДицисг :ы корреляции информативных параметров аку^гнчег -э поля с удельной объемной энергией разрупения

формативные эаметры Этического 1я Изменяемой фактор

1ип алмазной коронки Режим бурения Горная порода

\Л/д -0,70 . 0,76 . -0,88 0,78 0,8Э 0,®

При возрастании частоты удельная объемная энергия разрушения увеличивается. Таким образом, именно спектральный состав высоко частотных колебаний является определяющим фактором для энергоем кисти разрушения. Связь энергии с удельной объемной энергие разрушения при изменении типа п^родорачрушающего инструмента и рекиыа бурения целом отличается от зависимости W(J=f пр смене горной породы (табл.3). В первом случае рост удельной объ ной энергии разрушения происходит вместе с уьеличением частоты ^А » но увеличение энергии \Л/д (при неизменной частоте ) л водит к снижению . При смене горной породы рс-"? удельной об ной энергии разрушения сопровождается как увеличением частоты 1 так и ростом энергии .

Характер изменения уде-ьной объемной энергии разрушения и информативных: параметрог акустического поля при смене горной пс роды можно объяснить на основа установленной зависимости параче ров шеустического поля от пр^оюстных и упругих свойств горних пород. Увелчч^.1ие энергии \Л/д и частоты ^ говорит об увеличе прочностных свойств горных пород, трудности их разбуривания. Иь но поэ ому повышение энергии к частоты fA сопровождается ростом удельной объемной энергии разрушения. Полностью объясни! связь спектрального состава акустического поля с удельной обье). ной эне~гией разрушения по-видимому можно лишь на ургэне микро; цессов, протекающих при разрушении. Зто должно стать предметом дальнейших исследований, однако уже сейчас результаты экспериш тальних исследований позволяют сформулировать критерий огши/.ал! ти процесса разрушения горной породы на основе спектрального ш лиза акустического поля. На основе экспериментально установлен} зависимости удильной объемной энергии разрушения с информативш ыи параметрами высокочастотного диапазона 7-20 кГц акустическо] поля критерий оптимальности процесса разрушения можно сформулировать в виде:

—таре fh гп I п

Физический смысл этого критерия заключается в необходимости ра: рушать гор1Сую породу г максимальной интенсивностью, но с найме! шей энергоемкостью. Критерий моиет использоваться для оценки м( ханизма раэрушбньл горной породы при бурении конкретным по род о] рушшцим инструментом, поиска оптимального режима бурения. Пор. споктигни.! направлением исследований является использование ин: мативных параметров акустического поля для разработки новой юн

1фикации горних пород по бурнмгстн.

't. Про usee изнашивания породсразругсаишего инструмента связан энергией пкустичесних колебониП п липла?онэ частоту 7-20 кГц.

>янио инструмента и прогнозировать интенсивность износа (росурс)

При экспериментальных исследованиях изучалась завкзимссть энер-!и Wa от состояния и интенсивности износа алмазной коронки.

Для установления зависимости энергии Wp» от состояния корон-[ различные типы однос о Иных и импрегнированных а-мазннх коронок ■буривались на постоянных режимах. В результате исследований уо-нюплоно, что при бурении импрогиироввнними коронками на режимах, ¡вспечиваящих самозатачиваемость, энергия Wf4 л течений1 всего вре-!|ш бурония но изменяется, Изменение энергии Vv/k происходит тол1,-| при полном износо Алмазосодержащего слот матрицы импрогнирован*-И коронки: в акустическом спектре отсутствуют колебания, вше 7 'ц и, соответственно, энергия W/ч равна нулю. Ухудшение, рожущих юйотв алмазов в однослойна и импрогнированних коропкьх при бу-нии сопровождается уменьшением энергии Wa . Таким образом, ■оныяекио энергии Wf\ нокно использовать в качество контроли-В14ого признака ухудшения режущих свойств коронки в процессе бурея.

Зависимость интенсивности износа 3 импрегнированной корон-от анергии WA устанавливались по результатам отработки коронйк па ИбДХ, И'UU, Ю и Нй диаметром 59 им и коронки типа ИМВ-З дне -трем -УЗ мм в монолите биотитового гранта IX категории по бури-пти. :сяжл«и воронкой бурилось несколько скважин глубиной 0,5 >• и различном сочетании осевой нагрузки и частоты вращения. Рас- ' д промывочной жидкости но изменялся и был равен 19 дм^/мин. Часта вращения снаряда измэнялась п пределах 100—1000 мич""^, ссе-я narpj3i:a - 500-£500 даН. Средний износ мотрицч коронки по епсо-определялся профиломогром по окончании бурения по 15 точкам на рцо коронки. При расчетах использовалось средноо значение энер-и W^ по 5 точкам измерения (интервал 0,1 м по глубине сква-!ш). Интенсивность износа коронки 3 на данном режиме определись по формуле:

, мм/м ,

3=

ли

э Д h - средний износ матрицы коронки по выоото, мм; дИ рвал бурения, м.

ин-

Рис.5. Зависимости интенсивности износа коронки 3 от

анергии \Л/А при бурении коронками типа И6ДХ, III и ИМВ

о - ИбДХ, X - ИЖ, Л - ИМВ

При малых значениях энергии \Л/д интенсивность износа нзз-ачительна, рост энергии сопровождайте^ увеличением интен-ивности износа коронки. Для всех типов коронок зависимости ин-онсивности износа 3 от энергии \Л/л аппроксимируются линей-ыми функциями (рис.5). Это дает возможность прогнозировать ин-знсивность износа коронки на различных режимах. Проводя тариро-очноэ бурение и установив коэффициент К на одном из режимов .

= ), по извостным значениям эноргии У^ можно прогнози-

эвать интенсивность износа коронки:

и = \'УА , мм/м .

При известной интенсивности износа коронки ее ресурс опроде-ются по формуле:

Н—

К~~ ^ •» и ,

1,0 Ь» - высота алмазоюдоржащего слоя коронки, мм.

Бурение при повышенных значениях энергии У*^ может привести образованию на торцо коронки борозд-канавок. Это говорит о необ-1ДИН0СТИ установления для каждого типа алмазной коронки продоль-го уровня энергии ^Л/д , провншонио которого может привооти к звитию аномальных видов износа»

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили прод-■одположонио о тесной связи акустичоских колебании с процессом попа породоразруиающого инструмента. Измерение энергии \А/Л да-иогшожипсть оперативно определять ухудшение режущих свойств ронки и прогнозировать интонсивность износа (ресурс) имирогни-впннои колонки на различных режимах.

Основные выводы и рекомендации

1. Информативными параметрами акустического поля для объек-вного контроля процоссов разрушения горной породи и износа поро-разруиаппего инструмента являются параметры, характеризующие ам-итудно-частотные свойства диапазона 7-20 кГц : энергия диапа-

иа и частота, разделяющая диапазон на две чаоти с ровными эргияни, ffK .

2. Установлена зависимость информативных параметров акустичес-^о поля от типа, состояния, и интенсивности износа алмазного по-торэзрушапшего инструмента, физико-механических свойств горных )од, режима бурения и удельной объемной энергии разрушения.

I 3. Разрабсгтан'.шй метод ускоренных испытания алмазного норо-доразрушающего инструмента на основа спектрального анализа акустического п"»ля предназначен для оценки работоспособности макетов, экспериментальных и опытных образцов инструмента по сравнению о лучшими образцами серийной продукции и проверки качество сери.шо выпускаемой продукции.

4. Метод позволяв? для конкретного породорззрушавщего инстру; манта оценивать механизм разрушения горной породи, определять об-лаотъ оптимальных режимов бурения, прогнозировать ресурс на различных режимах (для имирагниров^нных коронок), кои-иодировать состояние инструмента при бурении и рекомендовать рациональные области применения. Метод позволяет выявлять отклонения в серийно выпускаемой продукции.

5, Перспективными нйлравланични исследований акустичоского ш ля являются: создание шкалы буримос-ги горних пород, разработка то» ничаских средств для управления процессом бурения, выработка рекомендаций по иовершонствованип конструкций породоразрушающого инструмента и установление физической сущнисти явления разрушения горной породь при бурении.

Основные положения диссертации опубликованы в слодувдих работах.

1. Архипов А.Г. Исследование взаимодействия иородоразрушав-щего инструмента о забоем при шароаечиом и гидроударно-аляазнон бурении.• В сб.: Тезисы докл. 1У регион.науч.тохн.конф. молодых ученых и специалистов Северо-запада "Научные и практические проблемы геологоразведки".Л.,ВЙТР.1991, с.П-12,

2. Архипов А.Г., Авдеев С.А. Исследование процесса бурения акустическим методом в стендовых условиях,- Там же, c.j.5-16.

3. Архипов А.Г., Авдеев С.А., Андреов O.G., Шатров Б.Б, Использование акустических полей для оценки эффективности конструкции алмазных коронок при бурении,- В сб.: Применение синтетических алмазов в бурении. Л.,ВИТР,1991, 0.65-72,.

Ц. Архипов А,Г., Гореликов В.Г. Исследования распределения энергии не забое при алмазном бурении.- В сб.: Исследование и внедрение новых технических средств для бурения геологоразведочных скважин. X,ВИТР, 1991, с.Ш-122.

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

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

7. A.C. 166X386, СССР. Способ регулирования режима бурения./ С.А.Авдеев, О.С.Андреев, А.Г.Архипов, Н.П.Рудакова, Ь.Б.Иатров. Заявл. 03.07.89. Опубл. 07.07.91. Бвл.£25.

рти еиГ77Ру глк.227. -ги f. iее,