CC BY
37
- © A.B. Шадрина, T.B. Кабанова, 2014
УДК 622.24
A.B. Шадрина, T.B. Кабанова
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ ЭНЕРГИЕЙ УДАРА
Приведены методики эксперимента по разрушению гранита и обработки результатов методами математической статистики. Проведена оценка влияния изменения предударной скорости бойка, типа буровой коронки, типа ударника, а также углов поворота коронки после удара на удельную энергоемкость разрушения, углубку скважины.
Ключевые слова: эксперимент; параметры ударной системы; породоразрушаюший инструмент; разрушение; углубка скважины; энергоемкость разрушения; методы математической статистики.
Представленный экспериментальный материал является продолжением ранее проведенных работ, связанных с исследованиями передачи силовых импульсов по бурильной колонне к разрушаемой горной породе [5]. Исследованиям характера влияния формируемых силовых импульсов на показатели динамического разрушения материалов посвящено значительное число опытных работ [2, 3, 4]. Однако аналитические подходы и результаты экспериментов в данных вопросах приводит к различным выводам относительно влияния таких факторов, как предударная скорость бойка, форма импульса, его длительность.
Экспериментальные исследования по разрушению крупнозернистого гранита проводились на стенде [5], включающем сбрасывающий механизм с закрепленными цилиндрическими ударниками разной длины и массы, основание для крепления штанги с коронками трех типов: штыревой, крестовой и долотчатой (рис. 1), а также гранитный блок, представляющий обрабатываемую среду.
Путем изменения высоты сбрасывания бойков обеспечивались предударные скорости 5 и 7 м/с для каждого типа ударника. Фактически энергия удара изменялась от 31,25 до 207,35 Дж. Были проведены 72 серии стендовых испытаний, в общей сложности 862 удара.
В ходе эксперимента оценивалось влияние типа коронки, предударной скорости ударника, его размеров и массы, а также угла поворота бурового инструмента на величину объема разрушенной породы, углубку скважины и энергоемкость разрушения.
Рис. 1 Коронки, принятые для экспериментов по разрушению гранита (диаметр 43 мм): а) - штыревая; б) - крестовая; в) - долотчатая
Объем разрушенного гранита определялся как отношение среднего значения веса разрушенной породы за один удар, к ее удельному весу.
Обобщенные экспериментальные данные приведены в таблице.
Обозначения в таблице соответствуют:
А - тип коронки: А1- штыревая; А2 - крестовая; А3 - долотчатая. В - предударная скорость бойка: В1 - предударная скорость бойка 5 м/с; В2 - предударная скорость бойка 7 м/с. С - тип ударника: С1 - боек длиной 350 мм и диаметром 35 мм, массой 2,5 кг; С2 - боек длиной 450 мм и диаметром 45 мм, массой 5,48 кг; С3 - боек длиной 700 мм и диаметром 35 мм, массой 5,48 кг; С4 - боек длиной 253 мм и диаметром 75 мм, массой 8,32 кг. О - угол поворота коронки: 01 - угол поворота коронки 20°; 02 - угол поворота коронки 30°; 03 - угол поворота коронки 40°.
Установление и исследование зависимостей результатов разрушения гранита от независимых признаков - факторов (тип породоразрушающего инструмента (А), предударная скорость бойка (В), тип бойка (С), угол поворота бурового инструмента (О)) осуществлялось на основе множественного регрессионного анализа с фиктивными переменными.
Были заданы фиктивные переменные, соответствующие факторам, по р1 -1, 1 = 1,4 , для каждого фактора, где р. - число его уровней. Так для фактора А определено 3 уровня, для В - 2 уровня, С - 4 уровня, 0 - 3 уровня.
Модель дает возможность предсказать значения одной случайной величины по конкретным значениям других и представляет собой уравнение регрессии, которое в нашем случае имеет вид:
у = е0 + еп А1 + е12 А2 + е21 В1 + е31С1 + е32с 2 + е33 С3 + е4101 + е42 02
?
где: у - зависимые признаки (энергоемкость разрушения, углубка скважины за единичный удар); е0 - постоянное слагаемое; А1, А2, В1, С1, С2, С3, 01, 02 - фиктивные переменные.
Анализ распределения случайных величин показал, что не для всех из них справедлив нормальный закон распределения. Это обусловило применение непараметрических методов математической статистики для анализа связи факторов и зависимых переменных.
Регрессионный анализ для зависимой переменной «энергоемкость разрушения» показал, что все параметры, кроме коэффициента перед В1, значимы. Это говорит о том, что воздействие фактора скорости приложения нагрузки при 5 и 7 м/с дает практически одинаковый результат. Этот вывод подтверждается в работах других исследователей [1, 3].
Введем в регрессионную модель вместо параметра С, определяющего тип ударника, его массу т_с и длину 1_с, полученная регрессионная модель имеет вид:
у энергоем. = 150,35 +11,62 • А + 56,09 • А2 + 0,03 • 1 _ с + 23,98 • т _ с + +12,32 • 01 +14,27 • 02 (Я = 0,86, Я2 = 0,74),
где Я - коэффициент множественной регрессии, Я2 - общая детерминация регрессионной модели.
Наиболее значимое влияние на удельную энергоемкость и углубку лунки за единичный удар оказывает масса ударника.
Таблица 1
Обобщенные результаты экспериментов для буровых коронок (штыревой А1, крестовой А2, долотчатой АЗ)
Колы факторов (серии ударов) Средний объем разрушения за удар, см3 Удельная энергия разрушения, Дж/см3 Углубление лунки за удар, мм Средний объем разрушения за удар, см3 Удельная энергия разрушения, Дж/см3 Углубление лунки за удар, мм Средний объем разрушения за удар, см3 Удельная энергия разрушения, Дж/см3 Углубление лунки за удар, мм
В1 С1 D1 AI 0,130 242,978 0,09 А2 0,115 274,022 0,08 A3 0,139 225,671 0,08
В1 С1 D2 AI 0,130 241,107 0,09 А2 0,115 273,821 0,08 A3 0,132 239,162 0,08
В1 С1 D3 AI 0,126 249,552 0,09 А2 0,125 252,207 0,08 A3 0,127 236,146 0,08
В2 С1 D1 AI 0,255 242,029 0,15 А2 0,241 255,189 0,15 A3 0,253 242,306 0,11
В2 С1 D2 AI 0,225 273,948 0,15 А2 0,236 260,109 0,14 A3 0,261 235,108 0,15
В2 С1 D3 AI 0,237 259,258 0,15 А2 0,258 238,406 0,16 A3 0,257 239,588 0,16
В1 С2 D1 AI 0,212 328,403 0,14 А2 0,178 391,335 0,10 A3 0,238 290,467 0,14
В1 С2 D2 AI 0,212 325,949 0,14 А2 0,191 361,556 0,11 A3 0,237 289,361 0,13
В1 С2 D3 AI 0,237 290,315 0,16 А2 0,219 314,817 0,13 A3 0,236 290,034 0,15
В2 С2 D1 AI 0,432 312,814 0,30 А2 0,401 336,304 0,21 A3 0,401 336,187 0,23
В2 С2 D2 AI 0,409 328,942 0,29 А2 0,430 312,739 0,25 A3 0,483 276,518 0,27
В2 С2 D3 AI 0,455 295,113 0,25 А2 0,437 309,166 0,26 A3 0,488 311,798 0,25
В1 СЗ D1 AI 0,231 297,082 0,16 А2 0,183 378,152 0,11 A3 0,218 313,909 0,13
В1 СЗ D2 AI 0,240 287,519 0,17 А2 0,167 414,392 0,10 A3 0,227 302,077 0,14
В1 СЗ D3 AI 0,259 264,772 0,16 А2 0,187 370,255 0,11 A3 0,229 300,487 0,13
В2 СЗ D1 AI 0,460 292,465 0,29 А2 0,370 370,372 0,25 A3 0,376 357,278 0,20
В2 СЗ D2 AI 0,456 295,051 0,29 А2 0,366 367,909 0,23 A3 0,453 296,905 0,25
В2 СЗ D3 AI 0,455 295,659 0,3 А2 0,366 370,510 0,19 A3 0,487 277,132 0,25
В1 С4 D1 AI 0,289 361,199 0,19 А2 0,251 415,054 0,15 A3 0,284 365,519 0,17
В1 С4 D2 AI 0,278 374,564 0,19 А2 0,224 464,383 0,13 A3 0,299 347,567 0,17
В1 С4 D3 AI 0,282 373,081 0,16 А2 0,241 431,340 0,16 A3 0,302 343,850 0,18
В2 С4 D1 AI 0,479 427,043 0,31 А2 0,471 432,805 0,27 A3 0,513 397,168 0,29
В2 С4 D2 AI 0,519 392,444 0,34 А2 0,478 428,141 0,27 A3 0,523 390,644 0,30
В2 С4 D3 AI 0,499 408,313 0,37 А2 0,467 438,524 0,28 A3 0,517 394,356 0,30
В тоже время очевидно значительное влияние скорости приложения нагрузки на объем разрушенной горной породы и углубление лунки за единичный удар. Причем при предударной скорости 7 м/с расхождение в значениях углубки сокращается для всех типов коронок, что подтверждает известный вывод о том, что с увеличением энергии единичного удара влияние геометрии ПРИ на показатели разрушения становится менее выраженным.
На рис. 2 представлены графики изменения удельной энергоемкости разрушения гранита различными буровыми коронками в результате воздействия силовых импульсов, сформированных всеми бойками при предударной скорости бойка 5 м/с и угле поворота бурового инструмента после удара 20°. Из графиков следует, что в целом сохраняется тенденция уменьшения энергоемкости разрушения гранита при увеличении энергии единичного удара, но параметры ударников и формируемых ими силовых импульсов вносят в эту закономерность свои коррективы.
Бойки С2 и С3 характеризуются одинаковой массой 5,48 кг. Экспериментами установлено, что штыревой коронке при использовании бойка большей длины (700 мм) соответствует меньшая удельная энергоемкость разрушения гранита.
Данный факт согласуется с известной точкой зрения автора [3], что наиболее длинный ударник обеспечивает большую длительность действия силового импульса, а энергоемкость разрушения породы коротким ударником больше, чем длинным. Однако для долотчатой и крестовой коронок в нашем эксперименте наблюдалась обратная зависимость: при более длинном бойке энергоемкость разрушения больше.
Можно предположить, что длина ударника 700 мм является чрезмерной по аналогии с экспериментами [2]. Это приводит к увеличению доли отраженной энергии удара, при неиспользованной хвостовой части силового импульса и,
Энергоемкость разрушения. Дж/см5 470.000
предударная скорость бойка 5 м/с; угол поворота инструмента 20°
С1 - длина бойка 350 мм; диаметр 35 мм; масса 2,5 кг;
А1 АЗ
-С1
-С2 -СЗ -С4
Т--г--1---Г—"I---ч
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
С2 - длина бойка 450 мм; диаметр 45 мм; масса 5,48 кг;
С3 - длина бойка 700 мм; диаметр 35 мм; масса 5,48 кг;
С4 - длина бойка 253 мм; диаметр 75 мм; масса 8,32 кг;
А1 - штыревая,
А2 - крестовая,
А3 - долотчатая коронки
предударная скорость бойка 5 м/с
Рис. 2. График изменения энергоемкости разрушения силовыми импульсами, сформированными различными бойками
соответственно, к повышению энергоемкости разрушения горной породы для крестовой и долотчатой коронок.
Для долотчатой коронки при малой энергии удара (31,25 Дж, боек С1) наименьшая энергоемкость обеспечивается при угле поворота ПРИ 20°. С повышением энергии удара с 68,5 до 103,7 Дж углы поворота 30° и 40° показывают по энергоемкости разрушения гранита практически одинаковый результат. При предударной скорости бойка 7 м/с все ударники за исключением С3 (длина 700 мм) показывают наибольшую эффективность разрушения при угле поворота ПРИ 30°.
Крестовая коронка характеризуется стабильно лучшим показателем энергоемкости разрушения при угле поворота ПРИ 40° при энергии удара 30-70 Дж. При более высоких значениях энергии удара расхождение в энергоемкости разрушения при 30° и 40° существенно сокращается.
Заключение
Результаты экспериментов позволяют указать следующие особенности при разрушении гранита с точки зрения оценки энергоемкости процесса разрушения:
• предударная скорость бойка в диапазоне изменения 5 и 7 м/с не оказывает существенного влияния на энергоемкость разрушения гранита;
• с увеличением длины ударника в диапазоне 450-700 мм энергоемкость разрушения для штыревой коронки снижается (6-10%), а для крестовой и долотчатой увеличивается на (9-16%) и (до 5%) соответственно;
• для крестовой коронки практически для всех бойков, при угле поворота 40° отмечается наименьшее значение энергоемкости разрушения. Для долотчатой коронки при малой энергии удара (31,25 Дж) рациональным является угол поворота ПРИ после удара в 20°. В целом увеличение энергии удара приводит к увеличению рационального угла поворота ПРИ после удара. Для штыревой коронки воздействие данного параметра не установлено.
1. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Ере-мьянц В.Э. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. - М.: Наука, 1985. - 358 с.
2. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987. - 272 с.
3. Куликов И.В., Воронов В.Н., Николаев И.И. Пневмоударное бурение разведочных скважин. - М.: Недра, 1989. - 235 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. - М.: Недра, 1978. - 215 с.
5. Shadrina A.V., Saruev L.A. Experimental researches methods and results of impact impulse parameters in real rods columns // Proceedings of 9th Russia - Korea International Symposium on Science and Technology. -2005. Novosibirsk. Russia. 26 June - 2 July. pp. 525-527. ЕШЗ
Шадрина Анастасия Викторовна - кандидат технических наук, доцент, e-mail: avshadrina@rambler.ru,
Кабанова Татьяна Валерьевна - кандидат физико-математических наук, доцент, e-mail: tvk@bk.ru,
Национальный исследовательский Томский государственный университет.
UDC 622.24
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ROCK FAILURE WITH IMPACT ENERGY
Shadrina A.V., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, e-mail: avshadrina@rambler.ru,
Kabanova T.V., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant Professor, e-mail: tvk@bk.ru,
National Research Tomsk State University.
The experimental technique for the granite destruction and statistical data processing are disclosed herein. The effect of hammer pre-impact velocity, rock destruction tools, the hammer parameters and the bit torsion angle on rock failure energy intensity, putting-down of borehole were found by experiments.
Key words: experiment; percussion system parameters; rock destruction tools; rock failure; drilling deeper; specific energy; statistics.
REFERENCES
1. Alimov O.D., Manzhosov V.K., Erem'janc V.Je. Udar. Rasprostranenie voln deformacij v udarnyh sis-temah Удар (Propagation of strain waves in impact systems), Moscow, Nauka, 1985, 358 p.
2. Ivanov K.I., Latyshev V.A., Andreev V.D. Tehnika burenija pri razrabotke mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh (Drilling technique for exploitation of mineral deposits), Moscow, Nedra, 1987, 272 p.
3. Kulikov I.V., Voronov V.N., Nikolaev I.I. Pnevmoudarnoe burenie razvedochnyh skvazhin (Shattering process and disintegration of rocks), Moscow, Nedra, 1989, 235 p.
4. Mavljutov M.R. Razrushenie gornyh porod pri burenii skvazhin (Drilling rocks failure), Moscow, Nedra, 1978, 215 p.
5. Shadrina A.V., Saruev L.A. Experimental researches methods and results of impact impulse parameters in real rods columns, Proceedings of 9th Russia - Korea International Symposium on Science and Technology, 2005, Novosibirsk, Russia, 26 June - 2 July, pp. 525-527.
ОСОБЕННОСТИ И ПРОБЛЕМЫ HOPMATИBHO-ПPABOBOГO УПPABЛEHИЯ ТОРФЯНОЙ OTPACЛЬЮ РФ
(1012/06-14 от 18.02.14, 3 с.)
Яконовская Т.Б. - кандидат экономических наук, e-mail: tby81@уandex.ru, Романова Ë.B. - кандидат экономических наук, e-mail: 348164@mail.ru, Жигульская А.И. - кандидат технических наук, e-mail: 9051963@gmail.com, Тверской государственный технический университет.
FEATURES AND PROBLEMS OF NORMATIVELY-LEGAL MANAGEMENT BY PEAT INDUSTRY OF RUSSIAN FEDERATION
Yakonovskaya T.B., Romanova L.V., Zhigulskaya A.I.
- РУКОПИСИ,
ДEПOHИPOBAHHЫE B ИЗДATEЛЬCTBE «ГOPHAЯ KHOTA»»
