CC BY
59
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1965
Том 129
О. Д. АЛИМОВ, Л. Т. ДВОРНИКОВ
БУРЕНИЕ ШПУРОВ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПОСОБОМ
Одним из основных параметров вращательного способа бурения шпуров, влияющим на производительность и экономическую целесообразность бурильных работ, является скорость бурения.
Скорость бурения, в свою очередь, может в значительной степени изменяться в зависимости от величины осевого усилия прижатия (подачи) бурового инструмента к забою, числа оборотов бурового инструмента в единицу времени, физико-механических свойств буримых горных пород, диаметра и геометрии бурового инструмента, мощности двигателя бурильной машины, способа удаления из забоя шпура буровой мелочи. Влияние этих факторов на скорость бурения изучалось в основном экспериментально [1—26]. Каждое из указанных исследований, как правило, охватывает довольно узкий диапазон возможных условий, ограниченный либо возможностями определенной бурильной машины, либо заранее заданной геометрией режущего инструмента, либо определенными физико-механическими свойствами горных пород и т. д. В силу таких специфических особенностей эксперимента исследователи получали различные результаты и давали рекомендации, нередко, на первый взгляд, несопоставимые.
В настоящее время возникла необходимость в обобщении всего накопленного материала для разработки рекомендаций по выбору целесообразных режимов вращательного бурения шпуров в различных горных породах и параметров бурильных машин.
Авторы данной статьи пытались осуществить такое обобщение. Основой для этого послужили многочисленные данные о режимах бурения, опубликованные в литературе, а также результаты экспериментальных работ авторов, проведенных в последние годы в Томском политехническом институте. В данной статье излагаются лишь основные результаты обобщения.
Значительное влияние на процесс вращательного бурения оказывают физико-механические свойства. Для оценки их влияния введены такие понятия, как хрупкость, пластичность, твердость, контактная прочность, крепость, абразивность, влажность и др. В большинстве случаев исследователи характеризуют сопротивление горных пород разрушению при бурении или крепостью (прочностью на сжатие), или твердостью (прочностью на вдавливание) и абразивностью.
Взаимное влияние этих факторов очень сложное и может быть учтено лишь при достаточно полном изучении упругости, пластичности,
абразивности и других свойств разнообразных горных пород, и их взаимосвязей. В связи с этим значительный интерес представляют работы по изучению физико-механических свойств горных пород, проводимые в последнее время школами проф. М. М. Протодьяконова и Л. А. Шрейнера. Пока же имеющиеся данные не позволяют достаточно точно учесть и рассчитать влияние каждого из факторов. Поэтому сохраняет свою ценность метод учета влияния основных физико-механических свойств в совокупности по крепости, предложенный в свое время проф. М. М. Протодьяконовым [20]. К тому же абсолютное большинство данных по режимам бурения шпуров связаны с горными породами через коэффициент крепости. Между коэффициентом крепости и другими характеристиками горных пород (твердостью по Шрейнеру, твердостью по Шору и т. д.) установлено ряд корреляционных зависимостей. Ставя перед собой задачу обобщения результатов экспериментальных исследований и учитывая указанное выше, мы приняли коэффициент крепости / за основную механическую характеристику пород.
Влияние усилия подачи
Величина осевого прижатия режущего инструмента к забою шпура — усилие подачи — оказывает определяющее значение на скорость бурения.
Зависимость скорости вращательного способа бурения шпуров ст усилия подачи принята основным показателем эффективности бурения в большинстве экспериментальных исследований. В настоящее время накопилось значительное количество данных по этой зависимости, охватывающих большой диапазон горных пород с различными физико-механическими свойствами. Наиболее наглядно качественная зависимость скорости бурения от усилия подачи представлена Л. А. Шрейнером [26]
(рис. 1). Эта зависимость очерчивается кривой, которая ¡имеет три явно выраженных зоны.
1-я зона характеризуется разрушением горной породы истиранием. Применяемый режущий инструмент не абсолютно остр и поэтому сопри-
касается с породой по некоторой контактной площадке . Усилие подачи Рп в 1 зоне недостаточно для внедрения инструмента в породу,
Рп
то есть удельное давление инструмента на забой р=-— кг/мм2 мень-
ше твердости горной породы рвя , кг/мм2.
П-я зона характеризуется соотношением Рвж^-Р между твердостью рвд и удельным давлением р. Этот участок кривой, по данным Г. Н. Покровского [19], описывается степенной зависимостью между скоростью бурения и усилием подачи
К = аЯ™,
где V — скорость бурения;
а — постоянный для определенной горной породы коэффициент; т — показатель степени, зависящий от физико-механических свойств горных пород.
В I и II зонах мощность бурильной машины в основном расходуется на преодоление сил трения инструмента о забой, что приводит к значительному абразивному износу инструмента и малой производительности бурения. Энергоемкость процесса разрушения в I и II зонах большая. С увеличением усилия подачи она уменьшается и в зоне III достигает минимума. В этом случае мощность бурильной машины расходуется наиболее целесообразно — на скалывание крупных частиц горной породы. Исходя из этого, изучению закономерностей процессов разрушения горных пород в зоне III следует уделить основное внимание.
Анализируя данные различных исследований, можно прийти к выводу, что для всех горных пород средней крепости с f ^ 10—12, которые .могут эффективно разрушаться при бурении вращательным способом резцами диаметром 40—45 мм, зона III (рис. 1) наступает уже при усилиях подачи от 100 до 400 кг.
Для различных по крепости горных пород характер зависимости У = /(РП) в зоне объемного разрушения остается одинаковым, изменяется лишь а — угол наклона прямой (рис. 1) к оси абсцисс.
Для большинства случаев участок кривой в зоне III может быть описан уравнением
у = к(Ра — Р0)у мм)мин, (1)
где к = ö-tga — усилие подачи, соответствующее точке пересечения прямой V — f(Pn) (зона III) и оси абсцисс, кг\ Ь — коэффициент размерности.
Величина Ро является минимально необходимым усилием подачи, при котором начинается объемное разрушение горных пород, и она должна удовлетворять условию Р0 ^ Рви' ^ш-
По данным Г. Н. Покровского [19], острый, не бывший в работе резец типа РП диаметром 42 мм, уже имеет площадку затупления Лн ^ 5 мм2. Отсюда следует, что для наиболее распространенного инструмента при бурении шпуров
Я0>5/7вд. (2)
Теоретически между рвя и пределом прочности горных пород на сжа-кг/мм2 существует зависимость [26]
— = (1 + 2^) ^ 7. (3)
Отметим только, что это соотношение экспериментально не всегда соблюдается, и поэтому может быть принято с большим приближением.
Если учесть, что коэффициент крепости горных пород, по М. М. Протодьяконову [20], /= асж, то из (2) и (3) рвд — 7/ и
Ро >7-5/= 35/. (4)
Для пород с / от 3 до 12 усилие Р0, подсчитанное по формуле (4), составит Р{) = (105 + 420) кг, что достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Между величиной угла а и твердостью горной породы или коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова можно заметить существование зависимости вида
1 , ах , , а2
к = 0 • а = — или к = Ь • tg а = — ,
/>вд /
где и а2 — коэффициенты, зависящие от числа оборотов бура и степени износа резца.
Максимальное значение а\ и а2 соответствует оптимальному числу оборотов бура п опт, то есть такому, при котором достигается максимальная скорость бурения и минимальная энергоемкость процесса разрушения ¿4 об •
В табл. 1 сведены данные многих исследователей, показывающие зависимости между скоростью бурения и усилием подачи при числах оборотов, называемых исследователями оптимальными для различных горных пород. В этой же таблице по формуле (1) и (4) подсчитаны средние значения Р0 и /с. .
Таблица 1
Наименование горной породы и коэффициент крепости Оптим. число оборотов в минуту ! Усилие подачи Рп кг, Скорость бурения V, мм/мин ' * а? О =5 К >» * Рп — Р0, кг о, о ^ Автор и ссылка на источник
1 2 3 4 5 6 7 8
Уголь, /= 2-3 800 50 75 115 375 500 820 0 0 0 50 75 115 7,0 П. Н. Июдин [14]
Мелкозернистый песчаник,/= 4—5 425 300 430 650 970 1350 2220 60 240 370 590 3,7 А. Н. Волков [8]
Алевролит, / = 5 450 290 425 1020 1450 0 290 425 3,45 А. Н. Волков [8]
Некрепкий песчаник, / = 6 270 250 320 380 300 430 640 100 150 220 280 2,00 А. Д. Имас [12]
Мрамор, / — 6 525 00 сл о ООО 160 270 360 20 80 130 160 2,00 О. Д. Алимов Н. С. Колодяжный-В. Н. Карминский [5]
Продолжение таблицы
1 2 3 4 5 6 7 8
Известняк, f—6 400 400 600 800 400 720 1180 200 200 400 600 U9 Г. Н. Покровский [19]
Песчаник, /=.6—8 400 250 380 760 250 500 1140 90 160 290 670 1,66 Н. С. Колодяжный [15]
Среднезернистый иесчаник, / = 8 270 550 750 1100 450 700 1330 290 260 460 810 1,56 А. Н. Волков [8]
Известняк, / ~ 10 345 250 420 600 150 330 650 120 130 300 480 1,17 И. Е. РудавскиЙ [22J
Доломитизирован-ный известняк, /=12 345 750 200 725 50 120 630 80 0,71 •
Доломитизирован-ный известняк, " /-12 345 385 375 200 360 120 265 455 0,71 п
Грубозернистый кварцевый песчаник, /= 14—17 200 500 850 1100 61 112 149 250 250 600 850 0,20 М. К. Цехин [25]
*) Усилие Р0 определялось графически по экспериментальным данным, кср опре-1/с V
делялось как агСо = — » гДе к ~ Т-^Г •
v п Рп — Ро
Для меньших равно как и для больших чисел оборотов, чем пот , величина к и скорость бурения уменьшаются.
Для иллюстрации сказанного на рис. 2, по данным А. Н. Волкова [9] (кривая 1) и И. Е. Рудавского [22], нами построена зависимость к = \(п) при постоянном усилии подачи. Максимальное значение к соответствует числу оборотов бура в минуту, рекомендуемому авторами оптимальным.
Анализируя результаты различных исследований, можно обнаружить, что при оптимальных скоростях вращения бура величина к для каждой горной породы постоянна.
На основании данных табл. 1 на рис. 3 построена зависимость между величиной к и коэффициентом крепости Эта зависимость, по нашему мнению, может быть принята в первом приближении как характеристика эффективности вращательного бурения шпуров диамет-
ром 42 мм в горных породах различной крепости. Коэффициент к может быть назван коэффициентом эффективности бурения.
Считаем необходимым отметить, что коэффициент эффективности бурения к характерен для данного инструмента и для данного способа бурения. Очевидно, при других размерах инструмента и других способах бурения г (алмазном, шарошечном) он будет несколько иным. #
Если бы удалось в ближайшее время определить подобные характеристики | эффективности для различных способов ^ s бурения, то это бы значительно облегчило проведение расчетов возможных ско 51
у
П
о 1 ! и- :
I
200
ьоо
600
8оо
■
\
\
Число оборотовг об/мим
Рис. 2. Зависимость коэффициента пропорциональности к от скорости вращения бурового инструмента при постоянном усилии подачи.
I 2 4 6 в Ю 12 14
Коэффициент крепости горных, пород
Рис. 3. Зависимость коэффициента
эффективности вращательного бурения от крепости буримых пород.
ростей бурения, выбор и обоснование целесообразного бурового оборудования.
Действительно, пользуясь рис. 3 и формулой Р0^35/, легко найти по формуле (1) возможную максимальную скорость бурения для данного усилия подачи Рп и оптимального числа оборотов. Из табл. 2
Таблица 2
Горная порода (автор исследований) Экспериментальные данные Скорость Отклонение расчетной скорости от экспериментальной, %
усилие подачи, кг скорость бурения, мм\мия бурения по формуле (1), ММ 1 мин
Глинистый сланец, /=4—5 (М. К. Цехин [25]) 500 960 1100 + 12,7
Алевролит, /=5 (А. Н. Волков [8]) 1000 2000 2150 +7,5
Песчаник мелкозернистый, /-10,7 (М. К. Цехин [25]) 850 453 425 -6,2
Известняк, /=10 (И. Е. Рудавский [22) 750 700 450 -35
Известняк, /=6 (Г. Н. Покровский [19]) 800 1420 1260 —11,5
Песчаник, /—14 (наши данные [4]) 1500 400 300 —25
видно, что расчетные скорости бурения хорошо согласуются с экспериментальными.
На основании выявленной зависимости (1) оказалось возможным предварительно рассчитывать скорости бурения различных горных пород в зависимости от усилия подачи (рис. 4). Максимально возможные величины скорости вращательного бурения будут, видимо, ограничиваться геометрией и прочностью бурового инструмента. Поэтому представляет интерес вопрос насколько значительно можно увеличить зону потенциальных возможностей бурильных машин вращательного действия. Для ответа необходимо установить, до каких величин усилий
2.В 20
\
о
4
1.2
0.4
—Зона с*язрссл*«й 5урения, ограниченная шисгимальмо допусти мыми усилиями подачи по данным различных исслеСо • /V
ч /у \
\ \
• у
• к м
1 ✓
200
400 600 900 то Усилив подачи , кГ
1200
/400
Рис. 4.
подачи сохраняется линейная зависимость У = /(Рп). Наиболее очевидными критериями нарушения линейности У = $(Рп ) в верхней части кривой являются: геометрия резцов, их стойкость и интенсивность удаления штыба из-под резца. Различные исследователи каждому из этих критериев придают большее или меньшее значение.
Из геометрических элементов резца на максимальную скорость бурения прежде всего может оказать влияние задний угол. Это положение принимается во внимание многими исследователями. Дело в том, что при больших удельных подачах на оборот может происходить касание задней гранью резца забоя шпура. Последнее вызовет необходимость дополнительных усилий подачи и мощности машины на преодоление сил трения и смятия породы задней гранью резца, то есть приведет к уменьшению интенсивности роста скорости бурения от усилия подачи.
При бурении резец перемещается как вдоль собственной оси, так и вокруг нее. Угол наклона винтовой траектории движения резца непостоянен по радиусу, он уменьшается к периферии и увеличивается к центру резца. Угол же приострения (угол заточки) выполняется одинаковым по всей длине лезвия. Отсюда следует, что при увеличении глубины внедрения резца за оборот площадка задней грани резца может начать касаться забоя участками, расположенными ближе к центру. Дальнейшее увеличение подачи вызовет касание забоя всей задней гранью. Для устранения возможности касания задней гранью резца забоя в средней части резцов, около центра их вращения, делают рассечку. Величина рассечки оценивается диаметром рассечки йр .
Максимальная величина подачи на оборот Лтах с учетом диаметра рассечки, при которой резец работает, не касаясь задней гранью забоя, может быть определена по формуле
¿пза х = (5)
где р —задний угол заточки лезвия бурового инструмента. Задний угол р резцов типа Яп, выпускаемых в настоящее время, составляет 18°, а диаметр рассечки с1р = б мм. Для этого случая Атах = 6,1 мм. При такой подаче на оборот пропорциональная зависимость V =/(Рп) может нарушиться. С учетом этого для чисел оборотов (200—400 об/мин), наиболее широко применяемых при вращательном бурении шпуров, максимальная скорость бурения при Лтах составит 610 и 2440 мм)мин. Таким образом, линейная зависимость 1? = /(Яп) сохранится лишь до указанных скоростей бурения.
Увеличение К более к тах приведет к резкому возрастанию А0б , так как при этом значительная часть энергии будет расходоваться нерационально— на смятие и истирание забоя задней гранью резца. Увеличение А об может произойти и раньше за счет ухудшения условий удаления разрушенной мелочи. Это было зафиксировано некоторыми исследователями [8, 25].
На рис. 5 приведена зависимость V = f(Pu) в наиболее общей форме с учетом влияния контакта резца по задней грани при больших удельных подачах. Точка А соответствует началу касания А0$ V_
задней гранью резца (по рассечке) забоя, точка В — касанию породы всей задней гранью резца.
Работа в зоне IV нецелесообразна, так как это сопряжено со значительными усилиями подачи.
Следует отметить, что касание забоя всей площадкой задней грани резцов РП может иметь место лишь при очень больших удельных подачах резца, то есть при очень больших скоростях бурения. Так, скорости вращения бура /г --200 об/мин будет соответствовать скорость бурения 8600 мм!мин, а п=400 об/мин соответственно 17200 мм!мин. Практически такие скорости бурения современными бурильными машинами не могут быть получены.
Максимальные величины усилий подачи, а следовательно, и возможные скорости бурения будут ограничиваться также прочностью бурового инструмента. По данным различных исследователей [2, 9, 25], для существующего бурового инструмента диаметром 42 мм> армированного твердым сплавом ВК-8, ВК-15, осевое усилие не должно превышать 1200—1500 кг. Эти рекомендации сделаны для случая бурения наиболее крепких горных пород (} — 8 и выше), когда разрушение инструмента в основном происходит за счет осевого усилия при контакте инструмента с горной породой. При меньшей крепости горных пород
815 I
I }
1 I
| £
г\ 1 I
!
В г
л
М)
ЧРП) /
/в
А /
Г
« 1 п т ш
П
Рис. 5.
большую опасность для прочности инструмента будут представлять большие крутящие моменты, необходимые для скалывания крупной стружки.
Нашими исследованиями [2] установлено, что при одном и том же усилии подачи величина крутящего момента тем больше, чем меньше крепость породы (рис. 6). При этом увеличивается размах колебании крутящего момента, а следовательно, и увеличиваются динамические нагрузки на лезвия инструмента, которые оказывают решающее влияние на стойкость бурового инструмента. Этим, частично, и объясняется то, что усилия подачи рекомендуются тем меньше, чем ниже крепость горной породы. Так, если для породы с />10 рекомендуется усилие подачи Р м = 1200—1500 кг, то с f = 8—10 оно снижается [9] до 800— 1000 кг; с / = 6—7 [19] до 750—800 кг и с / = 4—5 [15] до 400—500 кг.
• 300Q,---^-,-^__
5- I | I I Гу 12000---
0 2SO SOO 7SO tGO /250
Усилие подачи^ /сГ
Рис. б.
Зона изменения крутящего момента необходимого для вращения бура, при вращательном бурении 1 — песчаника и гранита, 2 — корок-ка № 4, (1=42 мм.
На основании приведенных данных построена зависимость максимально допустимых усилий подачи от коэффициента крепости горных, пород для существующих резцов типа РП (рис. 7).
Эта зависимость может быть использована при проектировании специальных (предназначенных для определенных условий) электро- и пневмосверл, а также для обоснования мощности двигателей сверл.
Создание более прочных материалов для армирования резцов, применяемых при вращательном бурении, безусловно, позволит увеличить указанные на рис. 7 пределы максимально допустимых усилий подачи, а следовательно, и скорости бурения. Для более прочных пластин твердого сплава появится и возможность уменьшения угла заточки резцов и увеличения удельных подач резцов на один оборот.
Удаление буровой мелочи из-под резца также может оказывать существенное влияние на верхний предел линейности функции V = f(Pn ). На это обстоятельство указывается многими исследователями [2, 8, 25]. 142
У
А
/ X
Гч г
\
Практика бурения шпуров с промывкой указывает на некоторые трудности применения ее при больших скоростях бурения, когда для удаления буровой мелочи требуются большие расходы воды. Оказывается, количество воды, подаваемой в шпур, существенно ограничивается
В&ф&щтгорных перед
Рис. 7.
возможностями современного бурового инструмента и приспособлений для промывки (проходными сечениями внутренних каналов буровых штанг и резцов, подводимых муфт и шлангов и т. п.). Следовательно, повышение качества материала резцов и совершенствование способов удаления буровой мелочи из шпура позволит расширить диапазон целесообразных усилий подачи и возможных скоростей бурения.
Влияние скорости вращения инструмента
При постоянном усилии подачи скорость бурения горной породы растет с увеличением числа оборотов инструмента в минуту п. Большинством исследователей [9, 12, 19, 22, 26] установлено, что значительный рост скорости бурения наблюдается ЛИШЬ ДО некоторого (по федоро&ч 8 с) предельного значения числа оборотов, после чего скорость бурения начинает увеличиваться медленнее, достигает максимума, а при дальнейшем увеличении числа оборотов даже уменьшается.
Наиболее наглядно эта зависимость представлена в работах В. С. Федорова [24] (рис. 8). Кривые 1, 2, 3 соответствуют усилиям подачи РС>Р2^>Рг- Такое изменение скорости бурения происходит в результате того, что подача инструмента на оборот резца
с увеличением скорости его вращения уменьшается [19], несмотря на то, что размеры инструмента и величина усилия подачи остаются неизменными. Единого мнения о физической сущности явлений, которые
Число оборотов
Рис. 8. Зависимость скорости бурения от скорости вращения бурового инструмента по В. С. Федорову.
приводят к уменьшению подачи на оборот, с увеличением скорости вращения резца, пока нет.
Увеличение скорости вращения инструмента для достижения максимальных скоростей бурения целесообразно лишь до некоторого предела (рис. 8). Эти пределы характеризуются [9, 12, 19] так называемыми критическими числами оборотов.
В. С. Федоровым и Л. А. Шрейнером указывается, что критическое число оборотов инструмента пкрзависит от усилия подачи и твердости горных пород. С увеличением твердости пород пкр уменьшается, с увеличением усилия подачи п кр несколько возрастает. Эти выводы подтверждаются большинством экспериментальных исследований.
Скорость вращения бура оказывает существенное влияние и на энергоемкость процесса разрушения. Минимум энергоемкости соответствует максимуму скорости бурения для данной горной породы и данного усилия подачи и критическому числу оборотов бура. Как увеличение, так и уменьшение числа оборотов по сравнению с оптимальным значением приводит к увеличению энергозатрат. С увеличением механической прочности горных пород минимум энергозатрат соответствует меньшему по абсолютной величине числу оборотов.
Используя рекомендации исследователей [7, 9, 11, 12, 18, 19, 22], можно проследить зависимость критических чисел оборотов от крепости буримых горных пород. В табл. 3 / приведены числа оборотов инструмента в минуту, рекомендованные различными исследователями для бурения различных горных пород как наиболее выгодные с точки зрения скоростей бурения и минимального износа инструмента. Эти данные послужили для графического изображения интересующей нас зависимости, рис. 9.
Несмотря на некоторый разброс, точки, нанесенные на график, рис. 9, позволяют проследить зависимость пкр=<р(/), которая представлена некоторой зоной. Мы ограничили эту зону кривыми, которые, по нашему мнению, показывают диапазон максимальных и минимальных значений оптимальных чисел оборотов бурового инструмента при вращательном бурении шпуров.
Безусловно, данная зависимость нуждается в уточнении па основании дополнительных экспериментальных данных. Однако уже сейчас обозначенная на рис. 9 зона наиболее выгодных чисел оборотов может быть рекомендована для практического применения, при проектировании бурильных машин вращательного действия, а также при выборе экономически выгодных режимов бурения серийно выпускаемыми сверлами.
В первом приближении зависимость средней величины оптималь-
т
мои 1599
53-
1200
1>-
то
то
1 900
ш
7Ш
т
а т
1 4оо
ь
№
| зов
т
и /
И1
1м \\ с.2200 {¡¡/ниы
щ И\
Тн
XV
у К, 1 \ л
\\
-
0 2 4 Коэффициент
6 8/0/2 крепости горных
14 /6
пород
Рис. 9. Зона оптимальных скоростей вращения бурового инструмента в зависимости от крепости горных пород.
Таблица 3
Горная порода / Рекомендованные числа оборотов в минуту Автор и ссылка на источник Значение коэффициента С, об/мин
Глинистые сланцы 2—3 600—1000 А. Д. Имас [12] 1800—2000
Сланцы и мягкие песчаники 2 до 1500 И. Е. Рудавский [22] 3000
Сланцевый песчаник 4-5 600 Г. Н. Покровский [19] 2400-3000
Песчаник 4 425 А. Н. Волков [8] 1700
Немаркий боксит 4-5 700 В. Ф. Зинин и др. [11] 2800-3500
Алевролит 5 450 А. Н. Волков [8] 2250
я 6 385 В. К. Бучнев [6] 2300
в 6—8 300 „ 1800—2400
У> 8-10 200 я 1600-2000
я 10-12 116 я 1160-1400
Песчано-глипистый сланец 6 300-400 М. К. Цехин [25] 1800 -2400
Песчаник мелкозернистый 8 300 * 2400
Известняк 8-10 345 В. Ф. Зинин и др. [11] 2700-3450
Мелкозернистый кварцевый песчаник 12 125 М. К. Цехин [25] 1500
Гранит 10—12 100- 300 Г. П. Верескунов [7] 1200-3000
Породы средней крепости 6 -10 150—400 О. Д. Алимов [3] 1500-2400
Гранит 15 50-70 В. Г. Михайлов [18] 750—1500
Порфироид-диабаз 12 125 В. Г. Михайлов [18] 1500
Полиметаллическая руда 6—8 210—286 В. Г. Михайлов [18] 1700
ного числа оборотов от крепости горной породы лопт = ср(/) может быть описана формулой
С
Яопт = — , (6)
где С —постоянный коэффициент.
Если считать / безразмерным коэффициентом; то
С Л
/
об мин
Для указанных в табл. 3 условий величина С изменяется от 3500 до 1200 об/мин. В среднем, для расчетов, величина этого коэффициента может быть принята равной 2200 об/мин.
Таким образом, с некоторым приближением можно считать, что
2200 /т\
"опт = , об/мин. (7)
Оптимальные числа оборотов, вычисленные по формуле (7) (пунктирная линия на рис. 9), достаточно хорошо совпадают со средними
10. Заказ 5735. 145
значениями рекомендуемых величин для горных пород с / = 2-н 10. Для горных пород большей крепости расчетные величины оказываются несколько завышенными.
Энергоемкость вращательного бурения
Физико-механические свойства оказывают существенное влияние и на величину энергоемкости процесса разрушения. Экспериментально установлено [26], что объемная работа разрушения зависит линейно от прочности на сжатие асж и от твердости на вдавливание (рис. 10, о, б).
I А*
500 ЮОО /500 ¡000 £508 Прочность на сжатие, к Г/см
{ А
/ -/ г
/
/
¿60 500 750 1№ Твердость, кГ/мм*
Рис. 10. Зависимость объемной работы разрушения от крепости горных пород.
Основываясь на этом, можно записать
^иб — ' асж
или, зная, что Ссдс=100/, получим
А,б = г./, (8)
здесь о! и о — коэффициенты пропорциональности, о = 100 V
Под объемной работой разрушения в данном случае понимается минимально возможная ее величина, полученная при наиболее рациональных для данной горной породы режимах бурения.
Основываясь на этом и располагая многочисленными экспериментальными данными по выбору целесообразных режимов вращательного бурения шпуров [1—26] в различных горных породах, попытаемся отыскать значение коэффициента 3(8).
В табл. 4 сведены рекомендации различных исследователей по рациональным режимам бурения горных пород, различных как по механи-
Таблица 4
Коэффициент крепости, / Параметры рациональных режимов бурения Удельные
Горная порода число оборотов в минуту усилие подачи, кг скорость бурения, см ¡мин потребляемая мощность, кет энергозатраты, кгм\см3 Автор и ссылка на источник
1 2 3 4 5 6 7 8
Уголь до 2 800 55 107 1,3 5,45 Л. Д. Азарх, А. Д. Имас, О. Г1. Шумовский [1]
Гипс 1,8—2,2 800—1000 250 200 3,6 8,0 М. Г. Крапивин [6]
Каменная соль 2,6-3,4 1000—1200 200 700 до 10 6,5 и
Аргиллит углистый 2,5 300 500 132 2,7 - 9,2 М. К. Цехин [25]
Глинистый сланец 3-4 690 60 44 ,1,74 17,5 Ф. М. Гельфаид, Л. Д. Марк-ман [10]
Глинистый сланец 4,4 300 500 96 2,7 12,6 М. К. Цехин [25]
Глинистый сланец 4 1220 63 90 3,0 14,3 П. И. Июдин [14]
Аргиллит песчаный 5 400 500 116,5 2,65 10,2 М. К. Цехин [25]
Алевролиты 5 450 1000 200 3,5 8 А. Н. Волков [8]
Мелкозернистый песчаник 4-6 425 600 200 4,0 9 »
Известняк 5-6 917 20 60 1,4 10 П. Н, И юдин [14]
Песчаник глинистый 6 300 500 96 2,1 12,6 М. К. Цехин [25]
Песчаник 6—8 408 1000 260 4,8 8,3 О. Д. Алимов [2]
Сиениты 6—8 450 660 150 30,5 И. Ф. Медведев, М. Н. Смоля-нинов, В. Н. Тюрин [17]
Песчаник 5 580 800 251 5,15 9,23 Г. Н. Покровский [19]
Известняк 580 800 142 4,0 13,2 „
Среднезернистый песчаник 8 425 с 1100 130 3,5 12,1 А. Н. Волков [9]
Известняк 8 1220 63 50 6,0 51,5 П. Н. И юдин [14]
мр».
СО
I 2 3 4
Песчано-глинистый сланец 8 200 800
Крепкие породы 8-9 297 —
Песчаник мелкозернистый 9,6 200 800
Известняк 10 450 600
Песчаник мелкозернистый 10,7 200 850
Тонкозернистый песчаник 8—14 274 830
Мелкозернистый кварцевый 12,3 125 1000
песчаник
Диорит 14—16 152 1500
Гранит 12—14 110 800
Крепкий грубозернистый 125 1100
кварцевый песчаник 17
Продолжение таблицы 4
5 6 7 8
40 2,7 30,3 М. К. Цехин [25]
86 3,0 15,7 В. Т. Сай [23]
40 2,7 30,3 М. К. Цехин [25]
67,5 2,8 18,7 И. Е Рудавский [22]
45,3 2,77 27,5 М. К. Цехин [25]
50 2,9 26 А. Д. Имас, Л. Д. Азарх [13]
25 2,7 48,5 М. К. Цехин [25]
10 1,24 55 0. Д. Алимов [2]
13,3 1,038 36,7 Г. Н. Покровский [19]
21,4 2,38 50 М. К. Цехин [25]
ческой прочности (от 1,8 до \ — 17), так и по минералогическому составу.
Минимальная удельная объемная работа разрушения для всех случаев была подсчитана нами по формуле
N
Лоб = 6,12-, кгм/смн (9)
V 5Ш
где Л^ —мощность, расходуемая на бурение, вт;
5Ш — площадь сечения шпура, см2;
V — скорость бурения, см/мин.
На основании табл.4 на рис. 10, в нанесены результаты расчетов Л0б в зависимости от /. Несмотря на значительный разброс точек, можно с некоторым приближением представить зависимость между Лоб и / линейной.
Разброс данных, видимо, обусловлен рядом причин: неодинаковым подходом различных исследователей к определению мощности, расходуемой на бурение; несовершенством применяемой регистрирующей .аппаратуры, а, главным образом, чрезвычайным непостоянством механических свойств буримых пород, даже при бурении одного шпура. Так, по данным Г. Н. Покровского [19], ошибки измерений основных параметров процесса бурения составляют 20—30% результата. Учитывая все это, мы считаем, что для практических расчетов можно воспользоваться зависимостью (8), приняв среднее значение коэффициент та 6 равным 2,8 кгм/см3.
Тогда Л об = 2,8 I (10)
(2,8 принято как среднеарифметическое из 29 значений б, соотвег ствующих горным породам и режимам бурения, указанным в табл. 4).
Средняя ошибка определения б из данных табл 1 +25%, то есть по величине соответствует ошибке измерения основных параметров бурения.
Зависимости объемной работы разрушения при бурении мрамора [2] от усилия подачи для различных по диаметру резцов пред-ставлены на рис. 11, а.
Из рис. 11, а видно, что характер изменения Л0б — / (Рп ) в обоих случаях одинаков, но в количественном выражении большему диаметру соответствует большая объемная работа разрушения. Причем с увеличением усилия подачи разница в значениях объемной работы уменьшается. Это, видимо, объясняется тем, что на периферии резца большего диаметра с увеличением усилия подачи образуется скол более крупных частиц.
На основании наших данных [2], свидетельствующих о том, что для сохранения постоянной скорости бурения с увеличением длины лезвия резца необходимо пропорционально увеличивать усилие подачи, и утверждения Г. Н. Покровского [19] о постоянстве величины стружки по диаметру резца, можно предположить, что энергоемкость процесса разрушения при прочих равных условиях прямо пропорциональна диаметру резца.
Значительное влияние на энергоемкость процесса разрушения оказывает геометрия бурового инструмента. Зависимость объемной работы разрушения [2] от величины углубления шпура за один оборот бура при бурении различными резцами (коронками) представлена на рис. 11,6. Коронка № 1—обыкновенная однодолотчатая, предназначенная для ударно-поворотного бурения. Ее основная характеристика — отсутствие рассечки и передний отрицательный угол — 55°. Коронка № 2 — типа
РП-2 с передним углом 0° и с рассечкой. Коронка № 4 отличается от коронки № 2 наличием переднего отрицательного угла р — 25°.
Наличие переднего отрицательного угла ведет к увеличению объемной работы разрушения (рис. 11, б). Применение коронки № 1 по срав-
йа т
(по Длимоёу од)
1
75
50
25
--Ф=6&ММ. - Ф-
\ \
\ V
> < \
\ \ \
Л V ч >
■ ^^
*)
к
I
я»
Э 950
I т
Ч* *
О- 7$ £
| 50 «и
2> О
250 5СО 750 9000 ПВО
Усилие помочи , КГ (по Ал им оё^ ад ]
/500
-Р - 750кг ---рг {О00 КГ- ---Р: {500кг. 17*/9
А у
>
* У
* • ^^^ г
0.2 йЬ Об О-В /0 12 Шурина площадки ЗвтуплениЯ, ММ
V5
«5
а
I £
Ч Ъ
3:
£
"3 №
г)
1 | М
£ 50
К
6) Йо5
{ПО Дли моё У ОД )
X
НО
1
§
20
о ко Л кэ, О МО ронко *>2 йонко " V оомка V1
15 50 75 <ао а 5 /5
%п?у£ление шпуреу мм/о£.
о р: ЧООкг. ^Яг $СОкГ. о Р* $00 КГ. --п : Чво Оя/гЩн, --п • — «но ; / г~л ///
Ул 7// '/ / * /
Ж/ V /
/>
Л/
№ /5 20
Тт
26 ВО
Площадке мм %
Рис. 11. Зависимость объемной работы разрушения от усилия подачи (а), углубления шпура за оборот (б) и от степени износа резьбы (в) и (г).
нению с коронкой № 2 увеличивает объемную работу разрушения в 3 раза. С точки зрения достижения минимальной объемной работы разрушения крайне выгодно уменьшение угла заточки резца. Но это может быть осуществлено лишь применением прочного материала для армирования резцов. Большое значение на энергоемкость разрушения оказывает и затупление резца, причем последнее происходит тем более интенсивно, чем меньше угол заточки.
Геометрия резца должна обеспечивать ему максимальную стойкость при минимальных энергозатратах на разрушение. Поэтому получившая в последнее время распространение тенденция создания резцов для вра-150
щательного бурения с отрицательным передним углом в пределах (—5°) -г- (—15°) является бесспорно правильной.
Влияние затупления резца на энергоемкость разрушения показано на рис. 11, в, г, по нашим [2] и Г. Н. Покровского [19] данным.
С увеличением усилия подачи как и с уменьшением скорости вращения бура интенсивность увеличения объемной работы разрушения от затупления падает. Это, видимо, объясняется влиянием масштабного фактора. Отсюда может быть сделан вывод, что до некоторого разумного предела выгодно использовать затупленный резец при применении значительных усилий подачи.
Мощность бурильных машин
Мощности машин, необходимые для бурения горных пород различной крепости, можно определить по формуле (9), если известны 'величины энергоемкости процесса разрушения.
Для рационального режима бурения, когда используется оптимальное число оборотов бура, в формуле (9) Л0б может быть заменено на Лоб шин но так как Л0бгшП — 2,8/, то, подставляя это выражение в (1), получим
N
2,8/-6,12 ——
или
./V = 0,465-5Ш- V-/. При определении мощности двигателя сверла уУдв необходимо учитывать коэффициент его полезного действия тогда
^в=_0,465.5ш-(и)
Если 5Ш принять постоянной, то (0,465-5ш) в (11) можно обозначить коэффициентом Л, тогда
А-У^
= (12) Г1
Подставляя в выражение (12) скорость V, согласно формуле (1), получим
А^ (13)
104
Мощность двигателя сверл в основном определяется максимально допустимыми усилиями подачи и крепостью пород. В этом случае в формуле (13) Рп следует заменить на Яптах, тогда
Л/необх = . (14)
10-ТГ]
При создании универсальных сверл, предназначенных для бурения всего диапазона горных пород по крепости от 2 до I = 12, следует, видимо, брать за Р птах его значение для наиболее крепких пород.
Размерность постоянного коэффициента Лиз Л—0,465 —6Ш мин ^
см
то есть размерность объемной работы разрушения единицы длины шпура.
Поэтому коэффициент А может быть назван объемной работой разрушения единицы длины шпура при бурении горных пород с коэффициентом крепости равным единице.
Для стандартных резцов типа РП-2, РП-7 диаметром 42 мм А = 0,465 = 6,45 вт'МиН
4
см
тогда
А/дВ = 0,645
K'f{Pп max Ро)
вт
Этой формулой можно пользоваться при расчете мощности двигателей сверл для различных горнотехнических условий.
В табл. 5 сведены данные различных исследователей о скорости бурения различных горных пород и необходимой для этого мощности.
Таблица 5
Горные породы Коэффициент крепости, / Скорость бурения, мм/мин Потребляемая мощность, кет Автор и ссылка на источник
Глинистый сланец 4 450 1,8 В. Г. Родионов [211
4 429 1.5 В. Г. Михайлов [18]
4 820 2,4 В. К. Бучиев [6]
Аргиллит углист. 2-3 1300/1750 2,4/3,0 М. К. Цехин [25]
Глинистый сланец 4 950/1300 2,4/3,0 п
Песчаник 4 1300 3 А. Н. Волков [8]
Алевролит 5 1300 3 п
Аргиллит песчаный 6 950/1300 2,4/3,0 М. К. Цехин [25]
Сильно трещиноватый глинистый песчаник 6 450 2,4 В. К. Бучпев [6]
Песчаник 6 286 1,5 В. Г. Михайлов [18]
п 2260 3,96 Г. Н. Покровский [19]
п 6 300 1,8 Г. В. Родионов [21]
Крепкий песчаник б 370 2,4 В. К. Бучнев [0]
Среднезернистый песчаник 8 • 1350 2,6 А. Д. Имас [12]
Известняк 1180 3,07 Г. Н. Покровский [19]
Песчаник 8 250 1,8 Г. В. Родионов [21]
» 8 1300 3,0 А. Н. Волков [8]
Тонкозернистый песчаник 8—10 500 2,85 А. Д. Имас [12]
Песчаник мелкозернистый 10 ; 400/600 2,4/3,0 М. К. Цехин [25]
Известняк 10 180 2,4 В. К. Бучнев [6]
Песчаник весьма крепкий 12 180 2,4 В. К. Бучнев [6]
Мелкозернистый кварцевый песчаник 12 250/400 2,4/3,0 М. К. Цехин [25]
Диабаз 12 144 1,5 В. Г. Михайлов [18]
Порфироид 12 125 1,5 „
12 65--78 2,4 Г. П. Верескунов [7]
8—12 1200 4,0 О. Д. Алимов [2]
Грубозернистый песчаник 14 110/180 2.4/3,0 М. К. Цехин [25]
то
то
то
1
^ то
т
£
400
На основании этих данных построены зависимости скорости бурения от коэффициента крепости горных пород (рис. 12). Каждая кривая на рис. 12 соответствует определенной мощности, потребляемой двигателем сверла. С увеличением крепости пород скорость бурения резко уменьшается. Она в значи-чительной степени зависит ¿Ш и от мощности двигателя, особенно для пород с коэффициентом крепости менее /=10—12. Для горных пород с /=14 увеличение мощности двигателя увеличивает скорость бурения в меньшей степени. Выводы многих исследователей, что при существующем буровом инструменте целесообразный диапазон применения вращательного бурения ограничивается крепостью горных пород [=14, хорошо иллюстрируются рис. 12. Скорости бурения пород с / = 14 можно существенно увеличить, если во всех случаях осуществлять бурение с усилиями подачи порядка 1200 кг.
Для указанных предельных усилий подачи, пользуясь формулой (1), можно подсчитать максимально возможные скорости бурения различных горных пород. Результаты таких расчетов приведены в табл. 6.
На основании данных табл. 6 на рис. 13 построена кривая 1, показывающая предел возможных скоростей бурения с учетом стойкости применяемых буровых резцов.
Ранее было показано, что усилие подачи целесообразно увеличивать лишь до тех пор, пока резец не касается своей задней гранью
Т а 6 л и ц а б
< >
\ • V
N у. \
ь \
л « \ \
А 1 \ л ■ «'•у 1 1 : \
\ \ Ч 1 \ г \
к л л, > ^ ч Ч- к \ \
ч \ 1 \ • ь \
> к - > 1 \ К л
N
,_ » 1 А 1
12
16
о 4 г
Коэффициент крепости горных пород
—— !.$ к&т
-----/4
-- 24 кёт
----30 хЫ
--- 4,0 «1т
Рис. 12. Зависимости скорости бурения от крепости горных пород при различных мощностях, расходуемых на бурение.
/
Коэффициент крепости 2 4 6 8 10 12
горных пород, /
К 7 4,2 2,1 1.6 1,0 0,7
Ро 70 140 210 280 350 420
Максимальная скорость бурения при Рп — 1200 кг, мм ¡мин 8000 4450 2080 1380 850 550
забоя шпура. Зная установленные из этого условия максимальные величины подачи на один оборот бура /гмах и оптимальные числа оборотов бура п опт можно подсчитать для различных горных пород максимально допустимые скорости бурения с точки зрения нормальной работы резца, то есть без касания задней гранью забоя. Результаты таких подсчетов приведены в табл. 7.
По данным табл. 7 на рис. 13 построена кривая 2. Сопоставляя кривые 1 и 2, можно установить, что для горных пород с коэффициентом крепости до / = 6 максимально возможные скорости бурения ограничиваются геометрией инструмента, то есть дальнейшее повышение скоростей бурения путем увеличения усилия подачи приводит к касанию задней гранью резца забоя со всеми вытекающими последствиями. Отсюда, для таких горных пород целесообразно применять резцы с большим задним углом (с меньшим углом заточки у ), чем у резцов РП.
Для горных пород с / предел возможных скоростей бурения определяется прочностью бурового инструмента. В этих случаях (особенно при бурении горных пород /^>10), видимо, целесообразно увеличить прочность лезвий и таким образом увеличивать и скорость бурения за счет уменьшения заднего угла и создания переднего отрицательного угла. Это и подтверж-
О 2 4 6 8 коэффициент крепости горных пород
Рис. 13. Ограничения максимальных скоростей бурения.
дается результатами экспериментальных работ [18].
Таблица 7
Коэффициент крепости горных порол 2 4 6 8 10 12
Оптимальное число оборотов, об/мин. 1100 550 370 260 200 150
Максимальная скорость бурения при /гтах = 6,1 мм 6700 3400 2250 1600 1200 920
Мы уже отмечали, что усилие подачи, геометрия инструмента создают лишь условия для разрушения горных пород с той или иной интенсивностью. Для осуществления же разрушения горной породы необходима определенная мощность, которая и передается буровому инструменту от двигателя бурильной машины. Мощность двигателя существующих бурильных машин во многих случаях существенно ограничивает скорости бурения. Действительно, мощность двигателей сверл, выпускаемых в настоящее время, не превышает 3 кет. Для создания усилия подачи расходуется весьма незначительная мощность [8]. Совместно с потерями в двигателе и редукторе в колонковых сверлах ее можно принять равной 0,3—0,5 кет. Тогда на создание крутящего момента приходится до 2,7 кет. Для ручных сверл эта величина меньше и составляет около 1 кет.
В табл. 8 представлены данные различных исследователей о величинах крутящих моментов, необходимых для бурения различных горных 154
Таблица 8
Горная порода и коэффициент крепости Подача на оборот, мм\об Крутящий момент, кгм Автор и ссылка на источник
1 2 3 4
1,56 3,17
Аргиллит песчаный, / — 4—5 2,3 2,8 4,25 5,0 М. К. Цехин [25]
2,28 3,76
Мелкозернистый песчаник, /-4-5 2,9 5,95 8,0 4,4 6,1 7,4 А. Н. Волков [8]
0,67 2,45
Песчаник,/^ 4 1,7 2,9 4,86 4,32 6,2 8,1 Г. Н. Покровский [19]
Глинистый сланец, /=4 1,0 1 3,5 В. Г. Михайлов [18]
Песчаник, / = 6 1,0 5,0 В. Г. Михайлов [18]
0,32 1,7
Известняк, / ^ 6 0,85 1,52 2,54 3,25 4,8 6,4 Г. Н. Покровский [19]
Песчаник мелкозернистый, /=8-10 0,48 1,46 2,00 5,9 7,8 9,8 М. К. Цехин [25]
0,89 4,1
Среднезернистый песчаник, / = 8 2,6 4,9 5,6 7,2 А. Н. Волков [8]
0,94 3,72
Известняк, / = 8—10 1,78 2,28 7,58 12,5 В. Ф. Зинин и др. [И]
Песчаник, / —6—8 5,6 1 8-12 О. Д. Алимов [2]
Известняк, /=10 1 0,43 1 »7 | И. Е. Рудавский [22]
Продолжение таблицы 8
1 2 3 4
Известняк, / = 10 0,95 1,9 3,2 3.9. 4,0 11,3 И. Е. Рудавский [22]
Гранит, /=12 0,213 0,67 1,21 2,0 6,2 9,0 Г. Н. Покровский [19]
Порфироид, / 12 1,0 12,0 В. Г. Михайлов [18]
пород при различных удельных подачах за один оборот. По этим данным нами на рис. 14 построены зависимости Л2кр =<р для одинаковых удельных подач за оборот.
/6
Л°5
2 Ч 6 8
КсЗ <$>*рициен.-т» Ар&/гости
Рис. 14.
Учитывая величины мощностей двигателей современных колонковых и ручных сверл N и рекомендованные выше оптимальные числа оборотов, можно подсчитать крутящие моменты, которые могут быть развиты этими сверлами при бурении различных горных пород. Результаты таких расчетов представлены в табл. 9.
Таблица 9
Коэффициент крепости, / 2 4 6 1 8 1 8 10 12
Колонковые сверла (мощность ^опт, об 1 мин 1100 550 370 260 200 150
на вращение 2,7 кет) Аортах, кгм 2,4 4,8 8,1 10,0 13,0 17,0
Ручные сверла (мощность на вращение 1,0 кет) ^ОПТ об ¡мин 1100 550 370 260 200 150
мкр шах, кгм 0,90 1,76 2,60 3,75 4,90 6,50
_ По данным табл. 9 на рис. 14 нанесены линии I и II, определяющие возможные подачи на каждый оборот бура соответственно для сверл с мощностью вращения 2,7 кет и 1,0 кет. Эти линии в значительной степени ограничивают величины удельных подач, которые могут применяться при бурении различных горных пород без перегрузки двигателей сверл. На рис. 4 мы нанесли значения максимальных скоростей бурения, которые могут быть достигнуты существующими конструкциями сверл, имеющими двигатели мощностью 2,5—3 кет.
Таким образом, кривая N—М характеризует зону «потенциальных возможностей» существующих бурильных машин. При дальнейшем повышении мощности двигателей бурильных машин (и соответствующем увеличении усилий подачи) зона потенциальных возможностей расширится.
Используя данные рис. 14, можно с некоторым приближением отыскать максимально возможные значения удельных подач для различных по крепости горных пород, затем, зная оптимальные числа оборотов для этих пород, легко подсчитать максимально возможные скорости бурения, ограниченные мощностью двигателя. Вычисленные таким образом значения максимально допустимых удельных подач и соответствующих им скоростей бурения приведены в табл. 10.
Таблица 10
Коэффициент крепости горных пород, / 2 4 6 8 10 12
Максимально допустимая
удельная подача для
N = 2,7 кет, мм 0,85 2,0 3,0 3,6 5,0 7,0
Максимальная скорость
бурения для ДА—2,7 кет,
мм ¡мин 940 1100 1100 940 1000 1050
Максимально допустимая
удельная подача для 0,3 0,4 0,45 0,5 0,60 0,75
дг—1,00 кет, мм
Максимальная скорость
бурения для
М= 1,00 кет, мм\мин 320 220 160 130 120 100
По этим данным на рис. 13 построены кривые 3 и 4. Анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что применяемые в настоящее время сверла с мощностью двигателей 2,7 кет для бурения горных пород с \ до 8 не используют всех возможностей современного инструмента для увеличения скоростей бурения. Еще в большей степени это относится к ручным сверлам с мощностью привода 1 кет.
Для более полного использования возможностей инструмента, исходя из данных рис. 13, было бы целесообразно значительно увеличить мощность привода бурильных машин для бурения шпуров в горных породах крепостью до / =
Делая этот вывод, мы учитываем рекомендации различных авторов о резервах повышения удельной подачи, исходя из прочности инструмента (резцов).
Использование указанного выше резерва приведет к значительным удельным подачам, а следовательно, и к значительным крутящим моментам на буровом инструменте. Величины этих крутящих моментов в ряде случаев могут превысить допустимые по прочности инструмента. Поэтому рис. 13 следовало бы дополнить данными, ограничивающими скорости бурения, допустимыми крутящими моментами. К сожалению, такими данными мы не располагаем. Ограничения максимальных
скоростей бурения из условия удовлетворительного удаления из шпура буровой мелочи представлены кривыми 5 — при применении витых буровых штанг и 6 —при применении промывки.
Если учеАь рекомендации о допустимых усилиях подачи, то, пользуясь формулой 15, можно определить мощности бурильных машин (табл. 11), которые в первом приближении могут быть рекомендованы как предельные для существующего бурового инструмента.
Таблица И
Коэффициент крепости горных пород, / 2 4 6 8 10 12
Необходимая мощность двигателя с учетом к. п. д. сверла, кет 1,6 4,8 7,0 8,2 7,8 -о сл
Необходимая мощность на бурение без учета к. п. д. сверла, кет 1,2 3,3 4,9 5,8 5,4 5,2
По данным табл. 11 на рис. 13 построена зависимость необходимой мощности на бурение (кривая 7) от крепости буримых пород.
Учитывая допустимые мощности сверл (рис. 13), оптимальные числа оборотов (рис. 8) и допустимые удельные подачи на оборот, можно определить возможные максимальные скорости бурения для различных горных пород.
Следует несколько слов сказать о мощности бурильных машин, предназначенных для бурения горных пород с / = 2. В табл. 11 она составляет 1,2 кет. Такая мощность обеспечивает скорость бурения при оптимальных числах оборотов около 600 мм!мин.
Такая низкая максимально допустимая скорость бурения настораживает в отношении правильности определения необходимой мощности для бурения горных пород малой крепости (18). При выводе формулы (18) принят ряд приближений, одним из которых является определение Ро как 35 /. Для пород с /—4 и более величина Р0, вычисленная по формуле (4), значительно меньше РПтах>в то время как для ¡ = 2 они соизмеримы. Допускаемая при этом ошибка, видимо, сказывается весьма существенно и на определение допустимой мощности сверла и максимальной скорости бурения.
Для горных пород с ¡ = 2 по данным исследований [7] объемное разрушение наступает уже при усилиях подачи в 20—25 кг. Тогда, подставляя вместо Ро = 35 Ро~ 20 кг, получим А^дв =2,5 кет; такой мощности двигателя сверла будет соответствовать скорость бурения до 2000 мм/мин.
Такие скорости бурения в породах с ¡ = 2 были достигнуты исследователями при применении ручных сверл с помощью двигателя 1 кет. Однако при этом наблюдались многократные перегрузки двигателя. Так, М. Г. Крапивин [16] указывает, что при бурении гипса с ¡= 1,8— 2,2 со скоростью 1,5—2,0 м/мин (число оборотов 1000 об!мин) двигатель сверла нагружается до 3,6—4,0 кет. Увеличение же мощности двигателей ручных сверл вряд ли целесообразно, так как значительно утяжелит сверла, фактически аннулирует их основное преимущество — высокую маневренность и превратит работу с такими сверлами в одну из наиболее тяжелых ручных работ. Поэтому мы считаем, что для ручных сверл скорости вращения бура следует ограничить 500— 600 об/мин, мощности двигателей 1,2—1,4 кет, и применять эти машины следует только при небольшом объеме буровых работ. Для большого
объема буровых работ при разрушении горных пород даже малой крепости ¡^2 следует создавать более мощные сверла со специальными устройствами для установки их в забое и подачи в процессе бурения. В этом случае целесообразно будет применять большие скорости вращения бура (порядка 1100 и более об ¡мин) и мощности двигателя порядка 2,0—2,5 кет. Несомненно, что более точно целесообразная мощность привода сверл должна быть установлена с учетом удобства эксплуатации машин той или иной конструкции, в тех или иных условиях. Эта задача может быть решена при исследовании конструкций бурильных машин и условий их применения.
Проведенный анализ основных параметров вращательного способа бурения шпуров с учетом экспериментальных данных многих исследователей позволяет нам рекомендовать, в первом приближении, рациональные режимы бурения различных по крепости горных пород (табл. 12).
Таблица 12
^^^^ Коэффициент
крепости 2-3 4-5 6-7 8-9 10-11 12
Параметры
Оптимальные числа обо- 1100*) 550 370 26о 2 0 150
ротов бура, од)мин 700—1500 450-650 250-450 200 —¿00 150—280 100—200
Усилие подачи при мощности двигателя сверла 2,7 кет, кг 250—300 400-400 600-700 700 - 800 800-900
Возможные скорости бурения при мощности двигателя 2,7 кет, м\ман 1,2 1,2 :.о 1,0 1,0
Необходимые мощности двигателей сверл с точки зрения стойкости бурового инструмента, кет 2,5 4,8 7,0 8,2 7,8 7,5
Усилия подачи, соответствующие необходимым мощностям, кг 200—250 450—500 600—750 900—10<10 1000-1200 1200 — -1400
Возможные скорости бурения при необходимых мощностях, м/мин. до 4,0 до 1 2,0
*) В числителе среднее значение чисел оборотов бу; а, в знаменателе - оптимальная зона.
Режимы, приведенные в табл. 12, могут быть достигнуты при надежной очистке забоя шпура от буровой мелочи (промывкой,-продувкой) и при использовании острых резцов. В настоящей работе вопрос износа резцов не рассматривался, но имеющиеся в литературе данные по этому вопросу нами изучены. Они позволяют заключить, что для всех горных "пород с коэффициентом крепости в пределах / = 2-5-12 работоспособность резцов (количество шпурометров, пробуренных до появления на лезвиях площадки затупления шириной в 3 мм) при рациональных режимах бурения составляет 2 и более погонных метров. Отсюда следует, что в таких условиях можно осуществлять бурение каждого шпура достаточно острым резцом и в процессе бурения шпура не потребуется время на смену инструмента.
Интенсивность удаления буровой мелочи из шпура в значительной степени влияет на скорость и энергоемкость бурения. В результате несвоевременной очистки забоя от продуктов разрушения они дополнительно измельчаются инструментом и буровой штангой, что приводит к дополнительному расходу мощности и снижению скорости бурения Наиболее действенными способами очистки шпуров является продувка и промывка. По данным М. К- Цехина [25], А. Н. Волкова [9], применение промывки шпура водой для удаления буровой мелочи позволяет .существенно увеличить скорость и уменьшить энергоемкость бурения, по сравнению с удалением буровой мелочи витыми штангами. М. К. Це-хиным и А. Н. Волковым были зафиксированы случаи, когда применение интенсивной промывки позволило в 2 раза уменьшить энергоемкость бурения. Еще больший эффект может быть получен при удалении буровой мелочи из шпура сжатым воздухом [23]. Пока в практике предпочтение отдается промывке по той причине, что продувка без дополнительных устройств для улавливания буровой мелочи является вредной в гигиеническом отношении.
Дальнейшее увеличение скоростей бурения с одновременным уменьшением энергоемкости процесса разрушения может быть достигнуто лишь при условии радикального решения вопроса об интенсивном удалении буровой мелочи из шпура. Для этого необходимо одновременно с дальнейшим совершенствованием способов удаления буровой мелочи промывкой шпура водой совершенствовать и разрабатывать такие способы как продувка шпура сжатым воздухом и воздушно-водяной смесью, а также способа отсоса воздуха с буровой мелочью из шпура.
Выводы
1. Значительное количество экспериментальных данных по исследованию вращательного способа бурения шпуров дает возможность провести некоторые обобщения с целью выявления зависимостей между основными параметрами процесса бурения через эмпирические коэффициенты.
Выявленные таким образом зависимости между скоростью бурения I7, усилием подачи числом оборотов бура пу коэффициентом крепости горных пород объемной работой разрушения Лоб и мощностью двигателя сверла Л^дв дают возможность с достаточной степенью точности производить расчеты по режимам бурения.
2. Уточнение эмпирических коэффициентов, выявленных в настоящей работе, задача весьма актуальная и может быть решена постановкой специальных исследований.
3. Увеличение производительности бурильных машин вращательного действия может быть достигнуто применением рациональных режимов их работы, совершенствованием бурового инструмента и конструкций самих машин.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Л. А з а р х, А. Д. И м а с, О. П. Ш у м о в с к и й. Определение режимов бу-рення оучными электросверлами. Углетехиздат, 1952.
2. О. Д. Алимов. Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров. Изд. Томского университета, 1960.
3. О. Д. Алимов, И. Г. Басов, В. Ф. Горбунов, Д. Н. М а л и к о в. Бурильные машины. Госгортехиздат, 1960.
4. О. Д. А л и м о в, Л. Т. Дворников. Длинноходовое электросверло с гидроподачей. Сб. «Совершенствование угольного производства», Кемерово, 1963.
5. О. Д. А л и м о в, Н. С. К о л о д я ж н ы й, В. И. К а р м и н с к и й. О создании длинноходовых электросверл с механической подачей. Известия вузов, Горный журнал, № 2, 1963.
6. В. К. Бучнев. Буровзрывные работы. Углетехиздат, 1951.
7. Г. П. В е р е с к у н о в. Исследование режимов вращательного бурения шпуроз в крепких породах. Автореферат диссертации, Днепропетровск, 1955.
8. А. А. Волков. Исследование электропривода колонковых электросверл. Кандидатская диссертация. Харьков, 1955.
9. А. Н. Волков. Обоснование и выбор основных параметров бурильных машин по породе для шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. Кандидатская диссертация, Прокопьевск, КузНИУИ, 1958.
10. Ф. М. Гельфанд, Л. Д. М а р к м а н. Исследование чистой скорости бурения при электровращательном способе бурения шпуров. Научные труды КНИУИ, сб. 3, Углетехиздат, 1958.
11. В. Ф. Зимин, В. Ф. Боровков, Е. И. С о л д а т о в. Вращательное бурение горных пород на бокситовых рудниках. Горный журнал, № 8, 1962.
12. А. Д. И м а с. Работы по внедрению рациональных технологических режимов разрушения углей и боковых пород горными машинами. Сб. «Разрушение углей и пород», Углетехиздат, 1958.
13. А. Д. И м а с, В. Л. Азарх. Определение режимов бурения горных пород. ЦИТИ, Углетехиздат, 1952.
14. II. Н. И ю д и н. Применение электросверл для бурения шпуров по породам. ЦИТИ-углестрой, Углетехиздат, 1957.
15. Н. С. Колодяжный. Исследование и создание длинноходовых элетросверл. Кандидатская диссертация, Томск, 1963.
16. М. Г. Крапивин. О параметрах буровых самоходных агрегатов для бурения шпуров при подземной добыче каменной соли и гипса. Инф. письмо о совещании по вопросам разрушения горных пород 20—22 мая 1958 г., ИГД, Москва, 1959.
17. И. Ф. Медведев, М. Н. С м о л я н и н о в, В. И. Тюрин. Электросверла с гидравлической подачей ЭСГП-4. Сб. «Новое оборудование для бурения шпуров и скважин», ЦИТИ угля, 1960.
18. В. Г. Михайлов. Исследование сверления шпуров. Докторская диссертация, Томск, 1940.
19. Г. Н. Покровский. Исследование процесса разрушения горных пород при вращательном бурении шпуров с постоянным усилием подачи. Кандидатская диссертация. Новосибирск, 1954.
20. М. М. Протодьяконов. Материалы для урочного положения горных работ. М, Изд. ЦК Горнорабочих, 1926.
21. Г. В. Родионов. Колонковое электросверло ЭК-2. Горный журнал, № 3, 1938.
22. И. Е. Рудавский. Установление рациональных границ применения электро-вращательного способа бурения шпуров при проведении горноразведочных выработок. Кандидатская диссертация, Москва, 1960.
23. В. Т. С а й. Опытное внедрение вращательного бурения шпуров с промывкой в Кузбассе. Новокузнецк, 1958.
24. В. С. Федоров. Научные основы режимов бурения. Гос. научн. техн. изд-во нефтяной и горной литературы, 1951,
25. М. К. Цехи н. Исследование буровзрывных работ и повышение их эффективности прп проведении горизонтальных выработок по породе на шахтах Прокопьевском рудника. Кандидатская диссертация, Томск, 1955.
26. Л. А. Ш р е й н е р. Физические основы механики горных пород. Гостоптех-издат, 1950.
11. Заказ 5735.
161
