Вопрос №53. В чем механизм поверхностного, усталостного и объемного разрушения горной породы при бурении?

Одним из важнейших параметров, определяющих режим разрушения породы, является величина удельного контактного давления на породу q.

В зависимости от величины удельного контактного давления выделяют три режима разрушения породы:

- поверхностное разрушение (истирание, шлифование);

- усталостное разрушение;

- объемное разрушение.

Режим поверхностного разрушения наблюдается при малом значении осевого усилия, при котором удельное контактное давление значительно меньше твердости горной породы q<<p_ш. В этом случае происходит поверхностное истирание и шлифование породы, повышенный нагрев и износ бурового инструмента. Процесс бурения при таком режиме разрушения не может быть эффективным, что подтверждается высокими энергозатратами (кривая g на рис. 4.10).

Режим усталостного разрушения горных пород возникает в том случае, если q<p_ш. При таком соотношении твердости породы и контактного напряжения разрушение горной породы происходит вследствие циклического нагружения, при котором достигается предел усталости горной породы [σ_-1

, (4.9)

где N – число циклов нагружения;

m – степень усталостной кривой;

σ_в – предел прочности горной породы.

Наиболее оптимален для разрушения горной породы режим объемного разрушения, при котором q≥p_ш. В этом случае резцы инструмента внедряются в породу и производят её разрушение за один цикл воздействия с образованием борозды или лунки разрушения, объем которых при бурении твердых пород может значительно превышать объем внедрения резцов в породу.

Дальнейшее повышение осевого усилия (рис. 4.10) уже не приводит к значительному росту скорости бурения, поскольку наступает режим активного разрушения самого бурового инструмента.

Вопрос №54. Основная зависимость глубины разрушения горной породы резцами и механической скорости бурения от частоты вращения бурового инструмента.

Эксперименты показали, что при увеличении скорости перемещения резцов, даже при условии, что осевая нагрузка достаточна для эффективного разрушения породы, глубина борозды разрушения, образуемая алмазом, снижается.

Снижение глубины борозды разрушения при повышении частоты вращения инструмента приводит к снижению темпа роста механической скорости бурения.

Для некоторых условий получено эмпирическое уравнение, отражающее связь механической скорости бурения v_м и частоты вращения ω следующего вида:

, (4.10)

где а, m – коэффициенты.

С учетом определенных конструктивных параметров буровых коронок зависимость механической скорости бурения от частоты вращения представлена уравнением:

, (4.11)

где К – концентрация алмазов в коронке, %;

A – размер алмазов, мкм.

данная зависимость может соответствовать следующей эмпирической формуле:

, (4.12)

где a,b – постоянные коэффициенты;

е – основание натурального логарифма;

P – нагрузка на инструмент.