CC BY
18
2013). June 28 — July 01. 2013. Mongolian University of Science and Technology. Ulaanbaator, Mongolia. 2013. Vol 1, p. 784-786.
3. John S. E. et al. Electrostatic enhancement of electrocoalescence of water droplets in oil: a review of current understanding. Chemical Engineering Journa., 2001. № 8, p. 173-192.
4. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория жидкостей и газа. - М.: Изд-во иностранной л-ры, 1961. -930с.
5. Ватажин А.Б., Любмов Г.А., Регирер С.А. Магнитогидродина-мические течения в каналах. — М.: Гл. ред. физ. - мат. л-ры, Наука, 1970. -672с.
6. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. — М.: Гл. ред. физ. - мат. л-ры, Наука, 1970. -380с.
7. Закирьянова Г.Т., Ковалева Л.А., Насыров Н.М. Исследование процессов тепломассопереноса и динамики расслоения эмульсии при воздействии электрических полей // Вестник ЮУрГУ. Челябинск, 2009. № 22, c. 59 - 65.
УДК 622.24 © А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, 2013
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАССЫ БОЙКА НА ФОРМИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ В КОЛОННЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ
Приведены результаты аналитического и экспериментального исследования влияния массы бойка на амплитуду силового импульса в бурильной колонне.
Ключевые слова: стержень, боёк, масса, силовой импульс, волна напряжений.
Представление о явлениях и характере динамических процессов при вращательно-ударном способе бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок станками с мощными ударными механизмами, расположенными вне скважины, даёт основание для эффективного и широкого применения данного способа бурения не только в горном деле, но и при геологоразведочных работах [5, 6].
Рис. 1. Распространение волны напряжения сжатия (-а) по стержню со скоростью с0 [2]
Силовые импульсы (волны упругой деформации, волны напряжений), формируемые бойками ударных узлов бурильных машин, имеют длительность всего несколько сотен микросекунд (А^ = 200... 600 мкс), тогда как величина силы за короткий промежуток времени А^ возрастает до десятков тонн.
Одним из них важных вопросов в проблеме совершенствования техники вращательно-ударного бурения является формирование в буровом инструменте волн с рациональными параметрами. В этом направлении накоплен достаточно большой теоретический и экспериментальный материал [1, 3, 4]. Тем не менее, к настоящему времени еще не сложилось единое мнение о рациональных формах и других параметрах бойков, например, их массе.
Согласно рассмотренной в работе [2] одномерной задаче о волнах сжатия в тонком упругом стержне, возникающих в результате продольного упругого удара жесткой массой т (рис. 1), начальное напряжение сжатия в стержне определяется уравнением:
а = ~рс0У,
где р - плотность материала; с0 - скорость движения волны напряжений; V - скорость перемещения элемента массы рЛаХ, Л -площадь поперечного сечения стержня (бурильной трубы).
Вследствие удара левый торец стержня приобретает скорость V блока массы, и волна напряжения сжатия распространяется по трубе со скоростью с0, зависящей исключительно от свойств материала трубы. Развитие процесса соударения определяется соотношением масс бойка т и стержня рЛЬ.
Легкий боёк быстро останавливается при давлении на него стержня. Волна сжатия отражается от фиксированного конца
стержня, возвращается к свободному концу, ускоряя при этом блок массы и сама частично отражается. При этом наблюдается отскок от конца стержня с меньшей скоростью, а стержень остается в состоянии колебаний. Максимальное напряжение в стержне достигается первый раз в момент удара и затем вновь, когда отраженная волна доходит до блока, оно равно рсУ и не зависит от т [2].
Из сказанного выше можно сделать вывод: амплитуда волны упругой деформации, возникающая при передаче энергии удара, например, через длинные стержни не зависит от энергии удара и определяется другими его параметрами. Этот вывод подтверждается следующим экспериментом.
Удары по колонне бурильных труб наносятся бойком специальной формы (рис. 2) с одной и той же ударной скоростью. При этом изменение энергии удара производится только за счет изменения массы бойка с сохранением всех остальных параметров. В этом случае амплитуда волны напряжения оказывается постоянной, изменение энергии удара будет сказываться на изменении площади волны за счёт её длины (рис. 3). Увеличение амплитуды при увеличении массы т в этих экспериментах определяется
конфигурацией бойка, то есть отношением — (рис. 2), и в опытах
Ь
не превышало 2-2,5 %.
Рис. 2. Боёк ударного механизма
о, МПа
Рис. 3. Амплитуда изменения волны напряжения упругой деформации
Амплитуда волны упругой деформации, возникающая при продольном соударении двух тел, не зависит от массы этих тел и, следовательно, при прочих равных условиях соударения не зависит от энергии удара, и определятся конфигурацией соударяющихся тел и свойствами материала, из которого они изготовлены, при условии приложения к ним быстроизменяющихся напряжений.
При вращательно-ударном бурении, где при ударе очень важно не только разрушение породы, но и внедрение лезвия коронки в нее - формирование энергии удара за счет скорости менее целесообразно, чем за счет массы бойка, так как, возникающие в последнем случае напряжения в элементах колонны бурильных труб сравнительно небольшие, но достаточные для эффективного разрушения ударом породы с коэффициентом крепости по Протодьяконову / = 6-14, а продолжительность силового импульса, то есть время действия силы удара на забой скважины, с увеличением массы бойка увеличивается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Губанов Е.Ф. Ударное разрушение хрупких сред при использовании в них отверстий без поворота инструмента: Автореферат дис... канд. техн. наук. - Томск, 2003. - 22 с.
2. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: Пер. с англ. / К. Джонсон. - М.: Мир, 1989. - 510 с.
3. Жуков И.А. Формирование упругих волн в волноводах при ударе по ним полукатеноидальными бойками: Автореферат дис. канд. техн. наук. - Томск, 2005. - 132 с.
4. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 272 с.
5. Исследование влияния распространения волн деформаций по бурильной колонне и параметров буровых агрегатов на производительность вращательно-ударного бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок / А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, А.А. Казанцев // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - М. -2010. - № 11. - С. 232-238.
6. Исследование возможностей вращательно-ударного способа бурения для разведочных скважин малого диаметра из подземных горных выработок / А.В. Шадрина, Л.А. Саруев // Известия вузов. Геология и разведка / РГГРУ. - М. - 2012. - № 5. - С. 62-66.
УДК 622.24 © А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, 2013
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОЙ СИСТЕМЫ НА РАЗРУШЕНИЕ ГРАНИТА
Приведены методика и результаты экспериментальных исследований разрушения гранита при ударно-поворотном нагружении. Проведена оценка влияния параметров ударной системы на эффективность разрушения горной породы.
Ключевые слова: удельная энергоёмкость, гранит, удар, боёк, предударная скорость бойка, угол поворота инструмента, буровая коронка.
Исследованиями оценки энергоёмкости разрушения горных пород занимались многие ученые [1-6]. Некоторая разноречивость данных о степени влияния параметров ударной системы, а также типа породоразрушающего инструмента на эффективность разрушения породы вызвали постановку данного экспериментального исследования на примере гранита.
Исследование проводилось на экспериментальной копровой установке, на которую крепились цилиндрические бойки (табл. 1). Удары наносились по штанге с закреплённой на ней штыревой, крестовой или долотчатой коронкой. Воздействие удара направлялось на гранитный блок.
