автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Создание эффективного бурового алмазного инструмента на основе изучения процесса взаимодействия его с горной породой

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

РГБ ОД

О ~ "лп 'л■ 1 -»

(. Л 1,4'»! На правах рукописи

ЧИХОТК1Ш ВШСТОР ФЕДОРОВИЧ

СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО БУРОВОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕГО С ГОРНОЙ ПОРОДОЙ

Специальность 05.15.14. - "Технология и техника

геологоразведочных работ".

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1996г.

Диссертация является рукописной работой

Работа выполнена в Институте сверхтвердых материалов имени В.Н. Бакуля HAH Украины (г. Киев)

Научный руководитель - кандидат технических наук, ведущий

научный сотрудник отдела "Механика разрушения горных пород и создание горного бурового инструмента" Института сверхтвердых материалов Национальной академии наук Украины Богданов Роберт Константинович

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

Ведущее предприятие - ГГП "Кировгеология".

Защита состоится . ОЯ^СьЬ-^^ 1996 г. в /У"час.

На заседании специализированного совета К 03. 06. 07 при Государственной горной академии Украины по адресу: 320027, г. Днепропетровск - 27, пр. К. Маркса,. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Соловьев Николай Владимирович кандидат технических наук, Данилъченко Игорь Евдокимович

Автореферат разослан " М " ИХ>

1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат геолого-минералогических наук

А. Л. Лозовой

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАПОТЫ

Актуальность работы. Основным способом разведки новых месторождений твердых полезных ископаемых о крепких горных породах является бдение скважин алмазными коронками. Снижение материальных н трудовых затрат на единицу разведанных запасов может быть достигнуто, в первую очередь, за счет применения в инструменте высокопрочных алмазов, разработки его новых конструкций и рациональных технологий бурения. Разрушение торных пород импрегнировакным инструментом, объемный слой которого оснащен довольно мелкими алмазами, происходит при малых зазорах между поверхностями матрицы и забоя скважины. В этих условиях факторы гидродинамического воздействия промывочной жидкости иа горную породу, а также степень очистки забоя от образующегося шлама приобретают большое значение для повышения эффективности разрушения горных пород алмазным нмпрегнироваиным инструментом.

В связи с этим, актуальным является совершенствование конструкции алмазных нмпрегннропанных коронок путем исследования влияния таких конструктивных особенностей матрицы, как форма промывочных каналов, зернистость, концентрация алмазов и др. на эффективность разрушения горных пород.

Цель работы. Изучение основных закономерностей разрушения горных пород алмазными импрегннрованными коронками в зависимости от их конструктивных особенностей и разработка на основе полученных результатов высокоэффективного породоразрушаюшего инструмента.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- провести теоретические и экспериментальные исследования закономерностей разрушения горных пород в зависимости от конструктивных особенностей матрицы коронки;

- усовершенствовать методики: исследования шероховатости забоя скважины, изучения величины зоны предразрушения и разрушения; а Также гранулометрического состава шлама:

- провести исследования по изучению состояния рабочей поверхности алмазной буровой коронки и разработать имитационную модель, которая отображает процессы, сопровождающие работу инструмента при контакте с горной породой;

- провести исследования влияния конструктивных параметров инструмента н параметров режима бурения на эффективность разрушения горных пород;

- провести исследования по повышению износостойкости матрицы за счет усовершенствования ее конструктивных параметров;

- усовершенствовать конструкцию алмазной буровой коронкн и провести исследования ее работоспособности в лабораторных и производственных условиях.

Методика исследований. Для решения поставленных задач была разработана методика, включающая в себя:

- обобщение, систематизацию и анализ литературных источников по изучаемому вопросу; -

- теоретические исследования по установлению влияния конструктивных параметров коронки на эффективность разрушения горных пород;

- экспериментальные исследования с целью разработки оптимальной конструкции инструмента по выбранным критериям оценки эффективности разрушения горных пород.

Научные положения, защищаемые в диссертационной работе, сводятся к следующему:

- эффективное разрушение горной породы при бурении коронкой БИТ обусловлено в немалой степени конструктивными особенностями ее промывочной системы, создающей дополнительное гидродинамическое давление на горную породу в зоне контактного взаимодействия ее с алмазосодержащей матрицей; при этом угол наклона набегающей части сектора коронки должен быть равным 22° - 32°;

- повышение механической скорости бурения сопровождается увеличением средней высоты микронеровностей поверхности горной породы в зоне ее контактного взаимодействия с породоразрушающнм инструментом и образованием при этом шлама с более низкой величиной удельной поверхности частиц;

- для обеспечения эффективной работы алмазной импрегнированной коронки по мере нзноса ее матрицы, расход промывочной жидкости должен уменьшаться пропорционально уменьшению размера промывочного канала.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что автором впервые:

- аналитически установлена возможность создания промывочной жидкостью дополнительного давления на горную породу в зоне разрушения за счет изменения геометр.ин лромырочного канала инструмента;

- аналитически обосновано, что для эффективного использования дополнительного давления жидкости на забой скважины, промывочный канал должен быть выполнен в виде прямоугольной трапеции с углом наклона набегающей, части сектора коронки в диапазоне 22°- 32°;

- аналитическими исследованиями установлена взаимосвязь механической скорости бурения с конструктивными параметрами инструмента, параметрами режима бурения н микронеровностей поверхности забоя горной породы в зоне контактного взаимодействия ее с инструментом;

- экспериментальными исследованиями установлено, что в процессе бурения коронками с углом наклона набегающей части секторов равным 30°, происходит наибольшее эффективное разрушение поверхности пород независимо от их физико-механических свойств, при этом процесс разрушения сопровождается наименьшей величиной удельной поверхности отделяющихся частиц шлама и наибольшей величиной параметров микронеровностей поверхности забоя.

Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных исследовании и положительными результатами внедрения усовершенствованной буровой коронки в производственных условиях

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследовании усовершенствованы конструктивные параметры коронки БИТ и определены для них оптимальные режимы бурения.

Реализация работы. Разработан технологический процесс изготовления и освоено серийное производство указанных коронок на Кабардино-Балкарском заводе алмазного инструмента. Производственные испытания, связанные с реализацией разработок и рекомендаций автора и проведенные на протяжении 1990-1995 г.г. в Кокчетавской ГРЭ (Казахстан) и ГГП "Кировгеологня" (Украина) показали перспективность эффективного использования коронок типа БИТ при бурении скважин в горных породах VII1-X категории буримости.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научной конференции профессорско-преподавательского и аспирантского состава Московской "государственной геологоразведочной академии (МГГА, г.Москва) 1996 г., на научно-технической конференции, посвященной 25-летию кафедры "Технология и техника геологоразведочных работ" Донецкого государственного технического университета (ДОНГТУ, г. Донецк) 1996г., на научном семинаре отдела проблем сверхтвердых материалов в бурении Института сверхтвердых материалов Национальной академии наук Украины (ИСМ HAH Украины, г. Киев) 1996 г., на научном семинаре кафедры "Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых" Государственной горной академии Украины (ГГАУ, г. Днепропетровск) 1996.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа Состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 137 страницах машинописного текста, включая список литературы из 80 наименований, иллюстрирована 27 рисунками, 13 таблицами й содержит 2 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, кандидату технических наук, ведущему научному сотруднику Института сверхтвердых материалов HAH Украины Богданову Р.К. за постоянное научное и методическое руководство в процессе выполнения работы.

Автор глубоко признателен коллективу лаборатории Казахского политехнического института за ценные консультации в подготовке данной работы, созрудникам отдела проблем сверхтвердых материалов в бурении ИСМ HAH Украины за помощь при проведении лабораторных исследований, сотрудникам Кокчетавской ГРЭ (Казахстан) и ГГП "Кировгеологня" . (Украина) за помощь при проведении производственных испытаний.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследованиям механизма разрушения горних пород и эффективного применения породоразрушающего инструмента при алмазном бурении посвящены работы Б.И. Воздвиженского. С.А. Волкова, С.С. Сулакшина, Е.Л. Козловского, Д.Н. Башкатова, А.Т. Киселева, В.П. Онищина, Л.К. Горшкова, Н.В. Соловьева, Г.А. Блинова, Р.К. Богданова, A.A. Бугаева, , В.К. Володченко и др.

В своих работах взторы, анализируя процессы взаимодействия пары "породоразрушающнй инструмент - порода", выделяют дца направления, базирующиеся, соответственно, на исследованиях взаимодействия единичных нндентороз с образцами горной породы и взаимодействия с ней групп ннденторов, закрепленных р жестком теле - коронхе. При этом отмечено, что на характер протекания физических процессов, происходящих на забое скважины, существенное влияние оказывает сочетание параметров режима бурения, конструктивных параметров буровой коронки н физико-механнческих свойств горной породы.

Разработке теоретических основ зашламования забоя скважины, оценке влияния конструктивных параметров алмазной коронки: величины вы-ступання алмазов, формы промывочных каналов, концентрации алмазов и др., на режим промывки посвящены работы П.Н. Курочкина, К).К. Будю-кова, В.И. Спирнна, Ю.А. Пешалова, Н.В. Соловьева, В.П. Лнпатникова и др.

Однако в настоящее время четких рекомендаций гю рациональному режиму промывки, предотвращающему зашламование забоя скважины и влияющему на эффективность разрушения горной породы, не установлено.

В первой главе проведен анализ основных направлений совершенствования конструктивных параметров нмпрегннрованных буровых коронок, способствующих повышению эффективности применения породоразрушающего инструмента. На.основе проведенного анализа определены основные задачи исследования.

Во второй главе изложены методики исследований.

Третья глаза посвящена теоретическим исследованиям влияния конструктивных параметров нмпрегнирозапнон коронки на эффективность разрушения горных пород.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных особенностей породоразрушающен части матрицы на эффективность разрушения гарных пород »«третированными коронками и режим удаления образующегося шлама, из-под их рабочего торца.

Высокая эффективность работы алмазного породоразрушающего инструмента обеспечивается, наряду с рационально подобранными параметрами (осевая нагрузка на коронку и частота вращения бурового снаряда), соответствующей подачей на забой промывочной жидкости, с помощью которой охлаждается и очищается работающий инструмент, а также регулируется интенсивность разрушения буримой горной породы.

С целью увеличения вероятности попадания жидкости в зазор между забоем скважины и торцсм матрицы, набегающая поверхность сектора алмазосодержащей патрицы исследуемой буровой коронки выполнена клинообразной (рис.1).

Расчетная схема движения жидкости в прнзабойком пространстве

При этом, геометрия канала ¡адазалась следующим образом:

ад- л»

'♦«И

к

О <х<а /¡(л) = ¡¡2 , а < х <(а + (), где:

Ы-Ьг

(1)

Иг

В "этом случае, геометрические и кинематические условия в зазоре близки к характерным для так называемых ползуших течений, когда силы трения зна-р!1С | . чительно больше сил инерции.

Наличие в зазоре зерен алмазов, затрудняет строгу ю оценку соотношения этих сил, однако можно предположить, что это обстоятельство повышает предельное значение приведенного числа Рейнольд-са Яе, принятое для ползущих течении. Количественная оценка числа Ке для рассматриваемых условий (минимальный зазор з зоне разрушения 0,25 мм, средняя длина окружности режущей части коронки 50,5 мм, частота вращения инструмента до 800 мин жидкость - техническая вода при температуре порядка 30°С и давлении до 1000 атм) дает значение Р^е порядка 1, что с учетом указанного выше соображения позволяет отнести данное течение к классу ползущих и использовать приближение Стокса при решении уравнения Новье-Стокса.

'/IV ,

' ~ " ■■ш-£гси1р + уА-У , (2)

Р-

Л

где: р - плотность жидкости; У - вектор скорости жидкости; р - давление в жидкости; ¡л - динамический коэффициент вязкости; £ - ускорение силы тяжести; V-оператор Гамильтона; Л - оператор Лапласа.

Ограничиваясь случаем стационарного течения и п дальнейшем понимая под р разность между действительным и гидростатическим давлением, получим уравнение Новье-Стокса в виде:

р-(у-у)у = -%га1}р + ц-ЬУ (3)

Для предельного случая ползущего течения уравнение в приближении Стокса примет вид: grojp = р • Д V, которое совместно с уравнением неразрывности dir У = 0 составляет систему уравнений Стокса для ползущего течения вязкой несжимаемой жидкости.

Течение в канале имеет два характерных участка. На участке 0 < л < а имеет место т.н. "вязкий клин", задача о котором рассматривалась Рейнольд«»! и Рэлеем и положена в основу гидродинамической теории смазки. В кандлр постоянной высоты, на участке а < х< (а + 1) имеет место течение Куэттз, которое хорошо изучено как чистый сдвиг, так и с продольным градиентом давления, и используется в гидродинамической теории смазки.

Особенностью рассматриваемой задачи о течении под буровой коронкой была необходимость совместного решения задачи о "вязком клине" и задачи для течения Куэгга с градиентом давления.

В результате конкретизации граничных условий на каждом участке и решения системы уравнений Стокса применительно к случаю движения промывочной жидкости под сектором исследуемой коронки, было получено выражение избыточной гидродинамической силы, действующей на горную породу в зоне "вязкого клина".

'" Up г - - ^ х lüiüJi__г___*

//: | кг *(* + 2) + + +

(4)

где: U • скорость течения промывочной жидкости; а - величина наклонного участка сектора; £ величина горизонтального участка сектора; ^-параметр, характеризующий степень конфузорности течения в клиновидном ссчснин; рг- давление жидкости на рыходе нз клина; р{-давление жидкости на выходе из сектора.

Анализ полученных расчетных данных позволил установить рекомендуемый диапазон изменения угла наклона набегающей части сектора в диапазоне: ' а = 22° + 32°

Подтверждением изложенного служат результаты экспериментальных исследований влияния на эффективность разрушения горной породы угла наклона набегающей части сектора коронки, приведенные в таблице 1.

Результаты замеров глубины развития зон разрушения и предразрушс-ния, образовавшихся при бурении экспериментальными коронками БИТ указывают на то, что с ростом величины угла наклона а набегающей части сектора коронкн в диапазоне от 15° до 30°, зоны предразрушения и разрушения сначала увеличиваются, соответственно на .27 % и 21 %, а затем в диапазоне от 30° до 45" уменьшаются, соответственно, на 27 % и 33 %.

Таблица I.

Влияние угла наклона набегающей части сектора на разрушение горных

Порода Режимы бурения Угол наклона.а набегающей части сектора, град Величины зоны нредраз-рушення Н ли. и разрушения Н тр., мкм

Н т П. Н,Р

Гранит Р™.= 1250 ДаН п = 500 мин 15 342 . 78

30 435 95

45 320 64

Приведенные данные можно объяснить тем, что в торцевом зазоре между поверхностью алмазосодержащей матрицы и забоем скважины возникают перепады гидродинамической нагрузки в зонах разрушения и пред-разрушения, повышая или снижая общую эффективность разрушения горной породы при бурении. Оптимальными, исходя из приведенных результатов исследований, являются углы наклона сектора близкие к 30°, так как при этом кроме действия по выносу шлама из-под торца коронки, промывочная жидкость участвует в создании дополнительных напряжений в массиве горной породы и увеличивает эффективность процесса бурения.

Исходя нз того, что механическая скорость бурения является комплексным показателем, в результате аналитических исследований получено выражение, учитывающее влияние на ее величину трех основных групп факторов: параметров режима бурения, конструктивных особенностей поро-доразрушающего инструмента н характеристик разрушаемой горной породы в монолитном н диспергированном состоянии,

где: рос- осевая нагрузка на буровую коронку; р -твердость горной породы (по Шрейнеру Л.А.); г/ = /(а) - функция, учитывающая влияние гидродинамического давления жидкости; - коэффициент разрыхления породы; Л,- средний радиус алмазного зерна; ¡{. - параметр шероховатости горной породы на забое скважины; п - частота вращения буровой коронки; ;1Л)р - количество борозд, необходимое для полного поражения забоя скважины; Пз' число алмазов на единице площади рабочего торца коронки; - площадь рабочего торца коронки; £ - коэффициент, учитывающий долевое количество алмазов, активно участвующих в разрушении горной породы; Д, и £)вы * соответственно, наружный и внутренний диаметры коронки.

Для экспериментальной проверки вышеизложенного и оценки эффективности разрушения горной породы были проведены лабораторные исследования, направленные на изучение влияния конструктивных параметров буровых коронок, а также параметров режима бурения на шероховатость забоя горной порода: а гранулометрический состав образующегося при этом шлама. В качестие основного критерия для оценки эффективности разрушения горных пород при экспериментальном бурении опытными ко-ронкамН был параметр шероховатости по ГОСТ 25142-82 - Д. (средняя высота микронерозностей горной породы на забое скважины).

Бурение осуществлялось с постоянными углубками корон:;н за оборот 63; 80 н 100 мкм/об при частоте вращения 400 и 800 мин-', что обеспечивало в ходе экспериментов одинаковые для всех коронок условия контактирования с горной породой. Результаты проведенных исследоиашш представлены на рис.3.

Зависимость средней высоты мнкронеровностей поверхности забоя от изменения угла наклона набегающей части

Rz, AIXM 120

100

секторов коронки

Rz, мкм

120г

15 30 п " 400 мин"'

• - 63 ыхм/об х - 80 мкм/об О-100 мкм/об

<Х° 401 45 U О

15 30

п = 800 мин'

• -63 мкм/об х» 80 мкм/об □-ЮОмш/об

Рис.3.

Анализируя представленные на рис.3 зависимости параметра Ц, от угла наклона а набегающей части секторов коронок при фиксированных значениях углубки за оборот и частоты вращенад бурового снаряда видим, что при увеличении угла наклона набегающей части сектора, независимо от изменения значений углубки за оборот н частоты вращения бурового снаряда, значения Д. возрастают. Достигнув максимума при угле а=30° значения параметра Д. начинают снижаться. Указанные данные свидетельст-

вуют о том, что при частоте вращения 800 мин-1 величина гидродинамического давления промывочной жидкости в образующемся "вязком клине" между поверхностью сектора коронки и поверхностью забоя, по-видимому, выше, чем при частоте вращения 400 мин4. Следовательно, помимо действия промывочной жидкости по выносу шлама из-под рабочего торца коронки, создаются дополнительные напряжения в массиве горной породы и повышается эффективность ее разрушения.

Ранее проведенными исследованиями установлено, что по величинам линейных размеров частиц диспергированной горной породы можно судить об эффективности ее разрушения. Так, если при бурении в продуктах разрушения горных пород преобладает мелкая фракция частиц, то, очевидно, с энергетической точки зрения процесс разрушения малоэффективен, поскольку большое количество энергии затрачивается на образование новой поверхности частиц шлама. Поскольку избежать получения мелких фракций частиц шлама при бурении не представляется возможным, так как их образование является закономерным следствием процесса разрушения горных пород, следует стремиться к снижению их доли в общем объеме образующегося шлама.

В связи с этим, в качестве дополнительного показателя, позволяющего судить об эффективном разрушении горной породы, была принята удельная поверхность образующихся при бурении частиц шлама.

Анализ гранулометрического состава шлама отобранного на следующих параметрах режима бурения: частоте вращения - 400,800 мин-1 и уг-лубке за оборот - 63, 80, 100 мкм/об, показал, что наблюдается существенное изменение удельной поверхности частиц шлама в зависимости от угла наклона набегающей части секторов коронки, частоты вращения и углубки коронки за оборот (Таблица 2).

Таблица 2

Удельная поверхность частиц шлама коросгышевского гранита в зависи-

Угол наклона набегающей сектора коронки а, град Удельная поверхность шлама в м2/г при частоте вращения снаряда, мин

400 800

Углубка за оборот, мкм Углубка за оборот, мкм

63 80 100 63 80 100

0° 9,65 8,76 8.15 6,86 5.87 4,78

15° 8,50 7,78 7,56 5,75 4,68 3,97

30° 7,43 . 7,16 6,83 4,40 3.74 1,06

45° 8,03 7,64 7.34 5,16 4,26 3,60

Следует отметить, что с ростом частоты вращения с 400 мин-1 до 800 мин-1 происходит снижение удельной поверхности частиц шлама, которое соответственно углам набегающей части сектора буровой коронки 15", 30"

и 45° составляет «9,9 % ■ 2! ,3 % 56,8 % - 58,8 % и 32,7 % - 37,2 %. Наибольшее уменьшение удельной поверхности шлама, свидетельствующее об образовании крупных фракций Шлама, наблюдается у коронок с углом набегающей части секторов, равным 30°.

Проведенные исследования, целью которых было определение количества промывочной жидкости, необходимого для обеспечения оптимальной износостойкости коронок БИТ, показали, что при постоянном расходе промывочной жидкости скорость ее прохождение под торцом коронки по мере износа матрицы н уменьшения высоты промывочных каналов снижается. При этом с учетом того, что параметры испытанна оставались неизменными, можно предположить, что различная интенсивность изнашивания достигалась за счет нахождения под торцам матрицы шламовой суспензии различной насыщенности. Следовательно, выполняется следующее условие:

а

где: £)г - диаметр устья скважины, м; ¿т - диаметр бурильных труб, м: V-скорость восходящего потока, м/с; К- поправочный коэффициент; {? - расход жидкости по мере износа матрицы» м5/с; ()р- расчетный расход жидкости, мУс.

Контролируя заданную скорость потока, изменяемую вследствие износа матрицы, уменьшаем расход промывочной жидкости, следовательно, соответственно расходу, устанавливаем необходимую степень насыщенности шламового материала под рабочим торцом коронки.

Полученные результаты исследований были положены в основу разработки рекомендации по совершенствованию конструкции алмазных нм-прегиированных коронок БИТ и рациональной технологии их применения.

В пятой главе приведены методы совершенствования конструкции нмпрегннрованных коронок БИТ, рекомендации по рациональной технологии их применения. Отражены результаты производственных испытании.

Производственные испытания указанных коронок проводились при бурении плановых скважин на объектах ГГП "Кировгеологпя". Скважины бурились глубиной 0 - 1000 м с использованием буровых станков ЗИФ-650М, оборудованных плавно-регулируемым приводом, наследующих режимах бурения: частоте вращения 0 - 1000 мин-'; осевой нагрузке 800 - 1200 даН; расходе промывочной жидкости 20 - 40 дм5. В качестве промывочной жидкости использовалась техническая вода. Для снижения вибрации бурового снаряда применялась антивибрационная смазка КАВС. Буримые породы представлены кристаллическими сланцами и гнейсами с различной степенью окварцевания. Результаты испытаний показал^ что коронки типа БИТ в среднем превосходят коронки типа 02ИЗ по проходке в 1,32 -1,59 раза, механической скорости бурения в 1,03 -1,14 раза, обеспечивают сни-

женис удельного расхода алмазов в 1,06 -1,61 раза и стоимости одного метра бурения (в ценах 1994-1995 г.г.) з 1,23 - 3,95 раза. Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Теоретическими исследованиями установлено влияние формы промывочного канала, образуемого двумя смежными секторами коронки на эффективность разрушения инструментом горной породы. Оптимальной является форма канала, образуемая двумя смежными секторами в виде прямоугольных трапеций с углом наклона набегающей части в пределах 22° - 32°.

2. Аналитическими исследованиями установлена функциональная связь механической скорости бурения с конструкцией промывочного канала н с высотой микронеровностей, образующихся на забое скважины в процессе бурения ее алмазным инструментом. С увеличением механической скорости бурения средняя высота микронеровносгей возрастает.

3. Усовершенствованная методика изучения микропрофиля поверхности забоя, сформированного при бурении импрегннрованнон коронкой, позволяет с высокой оперативностью и точностью оценивать параметры зоны разрушения и выдавать соответствующие рекомендации по корректировке конструктивных параметров породоразрушающей части инструмента, обеспечивающих оптимальную механическую скорость бурения,

4. Применение метода имитационного моделирования при усовершенствовании конструкции инструмента позволяет уже на первой стадии физического моделирования и расчетных методов оценки его работоспособности реализовать один из основных способов повышения износостойкости матрицы коронки. В результате имитационного моделирования породоразрушающей части импрегнированной коронки установлено, что с ростом зернистости алмазов наряду с увеличением средней высоты их выступания происходит увеличение расстояния между алмазами и снижение насыщенности ими матрицы, что влечет за собой увеличение эффективности удаления шлама из призабойнон зоны.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что в процессе бурения коронками с углом наклона набегающей части секторов, равным 30°, происходит наибольшее разрушение поверхности пород независимо от их физнко-механнческих свойств. Зоны предразрушення и разрушения забоя скважины в этом случае наибольшие. С изменением угла в большую или меньшую сторону происходит уменьшение указанных зон.

6. Изменение удельной поверхности отделяющихся частиц шлама происходит с изменением угла наклона набегающей части секторов коронки. Наименьшая ее величина наступает при значении угла, равного 300, что свидетельствует об образовании более крупных фракций шлама.

7. В результате выполненных исследований по влиянию величины угла наклона набегающей части секторов коронки на изменение шероховатости забоя скважины установлено, что бурение инструментом с углом наклона в 30° приводит к образованию на поверхности забоя мнхронеровностен максимального значения, что свидетельствует о более эффективном процессе разрушения горных пород в этом случае.

8. В процессе бурения по мере износа алмазоносной части матрицы высота промывочного канала уменьшается, при этом увеличивается скорость потока жидкости, проходящей через него. С целью сохранения одинаковой насыщенности шлама под торцом матрицы, т.е. сохранения установившейся интенсивности изнашивания материала матрицы, по мере ее износа необходимо уменьшать расход жидкости пропорционально износу матрицы.

9. На основании результатов выполненных исследований усовершенствована конструкция коронки БИТ, в процессе бурения которой повышается эффективность разрушения горных пород за счет выполнения ее секторов в виде прямоугольных трапеций с углом наклона набегающей части равным 30°.

10. С целью повышения износостойкости матрицы коронки за счет снижения воздействия абразивных частиц на матрицу рекомендуется устанавливать на передней грани сектора без алмазную пластину переменного сечения из мягкого металла, а в сбегающей части - твердосплавную рифленую пластину и прокладку из вязкого металла. .

П. Производственные испытания коронок БИТ показали их высокую работоспособность. Они превосходят серийные коронки 02113 из природных алмазов по стойкости в 1,32-1,59 раза и по механической скорости бурения в 1,06 - 1,61 раза в зависимости от диаметра инструмента. Основные положения диссертаций опубликованы в следующих работах:

1. Аубакнров М.Т., Чихоткин В.Ф. Управление процессом разрушения забоя. - В межвуз. сб. науч. тр.: Процессы разрушения горных пород при взрывных, термических и механических способах нагруження. - Алма-Ата, Изд-е КазПТИ, 1988, с.88-90.

2. Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К., Закора А.П. Исследование влияния конструктивных параметров торца коронки БИТ па эффективность разрушения горных пород при бурении. - В сб. "Доклады научн,- техн. конф. поев.25 -летаю кафедры ТТГР ДОНГТУ. - Донецк, 1996, с.95-98.

3. Закора А.П., Чихоткин В.Ф. К вопросу о регулировании износостойкости

алмазной буровой коронки. - Известия ВУЗоз. Геология и разведка, Московский комитет РФ по высш. образов., МГГА, М, №5, 1996:

4. Чихоткин В.Ф., Богданов Р.К., Закора А.П. Влияние конструктивных особенностей промывочного канала имирегннрованной коронки на разрушение горных пород. - Соверш-е техники и технологии бурения скв. на тв. п. ископ. / Межвуз. научн. тематич. сб. Госком. РФ по высш.. образов., нзд-во Уральской Госуд. Горно-геологич. Академии, выпуск №19, Екатеринбург, 1996.

5. Исонкин A.M., Богданов Р.К., Закора А.П., Чихоткин В.Ф. Влияние параметров режима бурения и прочностных характеристик, алмазов на износ импрегнированных буровых коронок - Известия ВУЗов. Геология и разведка, Московский комитет РФ по высш. образов., МГГА; М, №6, 1996.

6. Чихоткнн В.Ф. Способ алмазного бурения горных пород и устройство для его осуществления Чнхотхииа. - А.с. СССР №1310514. Бюл.из., 1993, №15.

7. Чихоткии В.Ф. н др. Алмазная буровая корснка. - А.с. СССР №1530737, Бюд.нз., 1989, '¿>47.

3. Чихоткин В.Ф. и др. Алмазная бурогая коронга. - А.с. СССР №1640341, Бюлиз., 1991.'№13.

9. Чнхоткпн Ф.И., Чихоткнн В.Ф., Тлеуов М.Г. и др. Способ восстановления буровых коронок из алмазосодержащих материалов. - А.с. СССР №1717232, Бюл.из., 1992, №9.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в общей постановке задачи и выборе подхода к ее решению; а установлении аналитической зависимости параметроз михронеровпостей поверхности забоя горной породи от механической скорости бурения; в обосновании формы и геометрических параметров промывочного канала, обеспечивающего дополнительное давление промывочной жидкости на забой скважины; в усовершенствовании методики и проведении комплекса экспернмеэтальных исследований определения работоспособности бурового инструме!гга, обеспечивающего повышение эффективности разрушения им горных пород.

4ixoncin В.Ф. Створсння ефектнтшого бурового алмазного шетрумен-ту на основ! значения прсцесу ззаемоди »ого з прською породою. Рукопнс.

Дисертащя на здобуггп вченсго ступеня кандидата техшчних наух за спешальшстю 05.15.14,- "Технолопя i техшка геологорозвщувалышх робгг". Державна прнича академ1я Украши, Дшпропетровськ, 1996.

Захигцагаться досл^кення ефектнвносп руйнуваиня прськнх nopia ал-мазннмн ¿мпрегнсйяннмн коротсами в залежиосл вщ конструктншшх параметра матрнщ шетрумеита та гтарамепнз режиму бурншя. Виявлено вплна формн нромнпного каналу на ефектившеть руйнуваиня прськнх порщ. Установлен! опти.малын параметр!! промивного каналу бурово! коронки. Буршия прськнх пср1д шетрументоы з запропонованою формою промивного каналу супроподжусться утяоренням крупннх чгсток шламу, зШлыненням середньо! внеоти мпсронерЬиостей nocepxni прсько! породи в зон! 1х контактно! взасмодн, а також збщьшенням зон нередруйнування i руйнування аибою свердлоЕини. Удосконэлено конструкцпо oyposoi коронки типу Б1Т. Здшснепо впровадження даних коронок а промиакшеть. Приведя» даш про ix ефектнвшеть у процесс експлуатацн.

Chihotkin V. F. Creation of the effective drill diamond tool on the basis of study of process of interaction him with mountain breed.

The dissertation of the applicant on a scientific degree of the candidate of technical scicnces on a speciality 05.15.14 Technologies and engineering geological exploratorion of work. The state mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1996.

Researches of effectiveness of destruction of mountain breeds diamond impregnated bits in an assotiation from design data of a matrix of thé tool and parameters of a condition of drilling are protected. Influence of the form of the washing channel on effectiveness of destruction of mountain breeds is detected. Optimum parameters of the washing channel of the drill bit are installed. Drilling mountain breeds by the toot with the offered form of the washing channel is accompanied by formation of large partiôles dirt, magnification of an average height of microirregularities of a surface of mountain breed in zone of their contact interaction, and also magnification of zones predestruction and destruction of a pitfacet of a hole A construction drill bits of a type BIT is advanced. Introduction of datas drill bits in an industry is realized, datas on their effectiveness while in service are reduced.

Ключош слова: буршня, прська порода, алмазна ¡мпрегнована коронка, матрица, промивна родина

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ _имени В.Н. Бакуля_

Президиум БАК Роес;.-.г,-

КАНДИДАТ

____________не

На правах рукописи

Нарамник управления ВАК Росс:

Шм^-______ ч,р

ЧИХОТКИН ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ

СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО БУРОВОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕГО С ГОРНОЙ ПОРОДОЙ

Специальность 05.15.14,- "Технология и техника

геологоразведочных работ".

Диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук,

БОГДАНОВ Р.К.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 7

1.1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований механизма разрушения твердых горных пород при алмазном бурении................................................................................................ 11

1.2 Износ матрицы буровой коронки под воздействием абразивных

частиц................................................................................................... 13

1.3. Влияние выступания алмазов на эффективность процесса

бурения................................................................................................. 14

1.4. Промывочная система и ее влияние на работоспособность инструмента........................................................................................ 16

1.5. Влияние параметров режима бурения на механическую скорость бурения и износостойкость буровых коронок.................................... 17

1.6. Выводы и формулировка задач исследований.................................. 23

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 26

2.1. Методика изучения микропрофиля поверхности забоя, сформированного при алмазном бурении.......................................... 26

2.1.1. Используемое оборудование, породоразрушающий инструмент, аппаратура и юс техническая характеристика. Регистрируемые параметры............................................................................................ 27

2.2. Методика исследований зоны предразрушения горных пород при бурении................................................................................................. 34

2.3. Методика определения удельной поверхности шлама разрушенной

горной породы...................................................................................... 37

Выводы по главе ......................................................................................... 39

ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПРЕГНИРОВАН-НОЙ КОРОНКИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД...................................................................... 40

3.1. Исследование влияния конструктивных особенностей промывочного канала импрегнированной коронки на эффективность разрушения горных пород.................................................................... 40

3.2. Исследование механической скорости бурения в зависимости от конструктивных параметров матрицы коронки и параметров режима бурения..................................................................................... 56

3.3. Моделирование состояния рабочей поверхности алмазной буровой коронки.................................................................................................. 60

3.3.3 Имитационная модель рабочей поверхности импрегнированной

буровой коронки................................................................................. 61

3.3.2. Методика моделирования рабочей поверхности алмазной буровой коронки с использованием ЭВМ......................................... 66

3.3.3. Программное обеспечение для реализации и исследования разработанной модели на ПЭВМ...................................................... 69

3.3.4. Анализ результатов моделирования................................................ 70

Выводы по главе......................................................................................... 78

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ..................... 80

4.1. Исследование влияния конструктивных параметров промывочных каналов на эффективность разрушения горных пород...................... 80

4.2. Исследование влияния параметров режима бурения на эффективность разрушения горных пород экспериментальным инструментом..................................................................................... 87

4.3. Исследования режима удаления шлама из-под торца

импрегнированных коронок...................................................................96

Выводы по главе..............................................................................................................................................................................103

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ БУРОВЫХ КОРОНОК И ИХ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ..............................105

5.1. Разработка общих рекомендаций по повышению стойкости коронок на основе выполненных исследований.....................................................105

5.2. Особенности изготовления коронок................................................................................................ПО

5.3. Ремонт коронок - резерв увеличения их ресурса..........................................................114

5.4. Результаты производственных испытаний............................................................................121

Выводы по главе.........................................................................................................................................................................123

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..........................................................................................................................124

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным способом разведки новых месторождений в крепких горных породах является бурение алмазными коронками.

Снижение материальных и трудовых затрат на единицу разведанных запасов может быть достигнута, в первую очередь, за счет применения высокопрочных алмазов в породоразрушающем инструменте, разработки его новых конструкций и рациональных технологий бурения.

В связи с этим, актуальным является совершенствование конструкций алмазных импрегнированных коронок путем исследования влияния конструктивных особенностей матрицы, таких как: форма промывочных каналов, их количество, зернистость, концентрация алмазов и др. на эффективность разрушения горных пород.

!

Целью данной работы является изучение основных закономерностей разрушения горных пород алмазными импрегнированными коронками в зависимости от их конструктивных особенностей и разработка на основе ^ полученных результатов высокоэффективного породоразрушающего инструмента.

При этом были проведены анализ и обобщение литературных данных, теоретические исследования, а также лабораторные и производственные исследования с использованием программирования на ПЭВМ.

Разработанные в результате проведенной работы буровые коронки типа БИТ для одинарного колонкового снаряда серийно выпускаются Кабардино-Балкарским заводом алмазного инструмента и широко внедрены в геологоразведочных организациях СНГ.

Результаты исследований апробированы на научной конференции профессорско-преподавательского и аспирантского состава Московской государственной геологоразведочной академии (МГРИ, г. Москва) в 1996г.,

на научно-технической конференции, посвященной 25-летию кафедры "Технология и техника геологоразведочных работ" Донецкого государственного технического университета (ДОНГТУ, г. Донецк) в 1996г., на научном семинаре отдела Института сверхтвердых материалов Национальной академии наук Украины (ИСМ HAH Украины, г. Киев) в 1996г., на научном семинаре кафедры "Техника разведки месторождений полезных ископаемых" Государственной горной академии Украины (ГГАУ, г. Днепропетровск) в 1996г., опубликованы в 6 печатных работах и защищены 4 авторскими свидетельствами СССР.

Основные экспериментальные исследования выполнены в лабораториях Казахского политехнического института (КазПИ, г. Алма-Ата) и ИСМ HAH Украины.

Научное руководство осуществлялось кандидатом технических наук, ведущим научным сотрудником ИСМ HAH Украины Робертом Константиновичем Богдановым, которому автор выражает свою искреннюю благодарность и признательность.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу лаборатории КазПИ и в частности Аубакирову М.Т. и Тлеуову М.Г. за ценные консультации в подготовке данной работы, сотрудникам бурового отдела ИСМ HAH Украины за помощь при проведении лабораторных исследований, сотрудникам Кокчетавской ГРЭ (Казахстан) и ГГП "Кировгеология" (Украина) за помощь при проведении производственных испытаний.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Импрегнировашше коронки являются одним из основных ввдов лородо-разрушающего инструмента для бурения крепких горных пород в диапазоне VIII - XII категории буримости и оснащаются природными, или синтетическими алмазами. Мелкие алмазы зернистостью 200 - 400 шт./карат и мельче равномерно распределены по всему объему рабочего слоя матрицы /1,2/.

В основу работы импрегаированной буровой коронки заложен принцип "самозатачиваемости", предусматривающий полную отработку ее алмазного слоя на всю его высоту. При этом путем постепенного обнажения алмазных зерен обеспечивается наиболее эффективное использование их в качестве единичных породоразрушающих элементов /1, 3, 4, 5/.

В процессе разрушения горной породы импрегнированными коронками износу подвержены как выступающие из матрицы алмазы, так и ее мягкий связующий материал /6/.

Динамические нагрузки на алмазы приводят к катастрофическому разрушению части зерен, вершины которых наиболее выступают над поверхностью рабочего торца матрицы. Непрерывное разрушение вершин алмазов (микро- и макроскалывание), а также вырывание их го связки и приводит к неуклонному смещению поверхностного рабочего слоя вглубь матрицы /4, 7, 8/.

Этот процесс сопровождается абразивным износом материала матрицы шламом горной породы/9, 10, Ш.

При этом матрицы буровых коронок, как структурно неоднородные материалы, подвержены избирательному износу их мягкой составляющей - связующего материала /12,13,14,15/, а механизм его изнашивания при постоян-

ном наличии шлама под рабочим торцом коронки зависит от количества и размера твердых абразивных частиц /16/.

Для эффективного бурения алмазной импрегнироваиной коронкой на протяжении всего периода эксплуатации необходимо обеспечить равномерное обнажение алмазов в процессе разрушения породы, сохраняя при этом их оптимальное выступание над телом матрицы /1/.

Авторы работ /5, 17, 18/ указывают на то, что для сохранения режущих свойств алмазных зерен необходимо поддерживать их выступание из матрицы. При этом интенсивность износа алмазов и сопутствующего износа материала матрицы должна быть одинакова. Уменьшение интенсивности износа материала матрицы по сравнению с износом алмазов приводит к "заполирова-иию" рабочего торца, а увеличение интенсивности износа - к переобнажению алмазов и их вырыванию из матрицы. В обоих случаях нарушается основополагающий принцип работы импрегнированных коронок, что снижает технико-экономические показатели работы инструмента.

Основой аномального износа коронок являются технические и технологические причины. К техническим относятся факторы, зависящие от конструктивных особенностей коронки, а к технологическим такие наиболее распространенные факторы:

- несоответствие применяемых типов алмазных коронок геологотехническим условиям бурения;

- нарушение технологии бурения;

- несоблюдение рациональных режимов бурения.

Анализ работ /19, 20/ показал, что при бурении одинарными колонковыми снарядами только 18 - 23 % коронок имеют равномерный износ, а 50 -60 % снимается с работы из-за образования канавки по торцу матрицы. Значительное число коронок выходит из строя и по другим причинам: износ по

наружному диаметру (3-10 %), износ по внутреннему диаметру (4-11 %), заполирование алмазов (1,5 - 1,6 %), трещины и сколы матрицы (2-8 %).

Представляет интерес деление износа импрегнированных коронок по высоте: 40 - 50 % импрегнированных алмазных коронок при снятии с работы имеют износ матрицы по высоте менее 0,5 мм, 15 - 30 % - от 0,5 до 1,0 мм и только 30 % - более 1,5 мм (табл. 1.1.). Указанные данные свидетельствует о больших потенциальных резервах, связанных с усовершенствованием конструкции и рациональной технологией отработки импрегнированных коронок.

В случае аномального износа коронки представляется целесообразным проводить ремонт (восстановление) изношенной части инструмента. При этом ремонт коронок рассматривается не в целом, а в частном случае, т.е. проводить замену вышедшего из строя элемента на новый. Однако, как показала практика, это мероприятие не решает проблемы увеличения ресурса режущих элементов.

Анализ литературы позволяет выделить основные направления разработок по совершенствованию алмазных коронок. Большая часть авторских свидетельств и патентов связана с поиском рациональных конструктивных параметров инструмента, которые условно могут быть разбиты на три группы: геометрические, структурные и физические.

Анализ распределения авторских свидетельств и патентов по указанным группам, проведенный Е.И. Быченковым /19/, показал, что разработки по совершенствованию геометрических параметров (профиль торца, форма и размеры секторов, промывочная система) составляют 39%, структурных (оптимизация процесса разрушения горных пород) - 19% и физических (повышение прочности коронки, защита алмазов, съемные резцы) - 42%.

Таблица 1.1.

Износ алмазных коронок

Тип коронки К-во шт. Износ по наружному диаметру, мм Износ по внутреннему диаметру, мм Износ по высоте матрицы, мм

0,00,5 0,51,0 1,01,5 1,52,0 >2 0,00,5 0,51,0 1,01,5 1,52,0 >2 0,00,5 0,51,0 1,01,5 1,52,0 2,02,5 2,53,0 3,03,5 3,54,0 >4

01 АЗ 2181 69,6 22,8 4,0 3,0 0,6 74,4 18,4 3,4 3,4 0,6 64,5 22,1 4,8 5,7 0,6 1,2 0,4 0,5 0,2

01 А4 1174 57,5 51,8 5,5 4,2 1,0 61,6 28,0 5,2 4,5 0,7 59,2 23,1 5,7 7,5 0,6 1,0 0,6 1,0 1,3

02ИЗГ 3506 65,4 26,2 6,3 1,8 0,5 65,5 22,1 8,7 2,5 1,2 39,5 17,1 12,9 12,0 0,0 4,5 3,0 3,5 3,1

02И4 212 59,5 27,9 8,5 3,8 0,5 66,5 23,1 5,6 4,8 0,0 46,3 23,2 6,2 10,4 3,4 4,9 1,9 1,9 2,4

А4ДП 1017 87,7 9,9 1,6 0,9 0,0 85,2 10,2 3,6 0,8 0,2 85,2 9,3 0,7 2,1 0,8 0,9 0,4 0,4 0,2

И4ДП 433 80,5 11,2 5,1 2,6 0,6 78,7 16,3 4,1 0,8 0,6 56,8 7,0 6,7 5,7 4,9 5,4 1,6 6,2 7,7

КСАВ 134 59,7 34,3 3,0 3,0 0,0 71,6 22,3 3,0 2,3 0,8 53,0 31,4 5,3 5,3 0,8 2,3 0,8 о,о 1,1

ИКС 100 92,0 6,0 1,0 0,0 1,0 81,0 7,0 9,0 1,0 2,0 38,0 11,0 7,0 8,0 11,0 8,0 5,0 5,0 7,0

КИТ 432 93,4 5,3 1,0 о,з 0,0 85,1 9,4 3,8 1,2 0,5 26,4 2,6 1,9 4,7 6,5 8,8 10,5 10,5 28,1

К-01 139 84,8 10,8 0,8 3,6 0,0 87,8 8,7 2,2 1,5 0,0 86,4 6,5 1,5 3,6 1,5 0,0 0,5 0,5 0,0

К-01-1 223 87,7 10,4 1,4 0,5 0,0 84,6 12,2 1,8 1,4 0,0 92,0 3,6 2,7 1,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

К-01-2 191 99,5 0,5 0,0 0,0 0,0 98,0 2,0 0,0 0,0 0,0 97,4 1,1 0,0 0,6 0,6 0,3 0,0 0,0 0,0

1.1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований механизма разрушения твердых горных пород при алмазном бурении.

Исследованиям механизма разрушения горных пород при алмазном бурении посвящены работы Б.И. Воздвиженского /21, 22/, B.C. Владиславлева /23/, С.С. Сулакшина/24/, Д.Н. Башкатова/25, 26/, Е.А. Козловского /2/, А.Т. Киселева ./27/, В.П Онищина/28/, Л.К. Горшкова/29, 30, 31/, Н.В. Соловьева /32, 33/ и других авторов. Причем, результаты выполненных ими исследований показывают, что взаимодействие алмазов с горными породами представляет собой сложный и многофакторный процесс, а это в свою очередь, усложняет построение модели бурения горных пород алмазами. Учитывая это обстоятельство, необходимо методически определиться в данном вопросе.

Блинов Г. А. /34/, анализируя работы по изучению взаимодействия пары "породоразрушающий инструмент - порода", выделяет два направления, которые лежат в основе проведенных исследований. Это работы, выводы которых базируются на исследованиях взаимодействия единичных инденторов с образцами горной породы, и работы, в которых исследуется общее взаимодействие групп инденторов, объединенных в жестком теле - коронке с горной породой. Второе направление является более объективным по существу и поэтому перспективным, но с учетом результатов, полученных при исследованиях работы единичных алмазов.

Автор приводит примерную методику определения фактического числа контактов пары "алмазная коронка - горная порода", делая очень важную оговорку, что она справедлива при одинаковости характеристик шероховатости коронки и породы. Вся методика основана на измерении шероховатости поверхности рабочего торца алмазосодержащей матрицы, но не учитывает шероховатость поверхности забоя горной породы. Шероховатость поверхности

забоя не может повторять шероховатость поверхности торца алмазной коронки из-за динамики работы бурильной колонны /35/. Кроме того, этому выводу противоречат работы Арцимовича Г.В. /36, 37/, Свешникова И.А. /38/ и других авторов, в которых отмечается, что зона предразрушения по своей глубине при алмазном бурении намного превышает величину проходки за оборот. Это соотношение особенно велико в породах, подверженных хрупкому разрушению (гранит, кварцит).

Роль трещин в деформировании тел весьма существенна, поскольку при приложении внешней нагрузки в поликристаллическом агрегате, которым является горная порода, напряжения не распределяются равномерно, а концентрируются на границах ослабленных мест. Академик П. А. Ребиндер первым отметил формирование специфического по своим структурно-механическим характеристикам слоя породы, образующегося одновременно с отделением от массива продуктов разрушения при механических способах бурения. Он назвал его зоной предразрушения /39/. Впервые возможность оценить общегеометрические параметры названной зоны, в зависимости от условий нагру-жения, появилась после разработки И.А. Свешниковым методики применения люминесцентной дефе