CC BY
27
ТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 622.235.522.3:622.24.05
ОЦЕНКА ФОРМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВЗРЫВНОЙ ПОЛОСТИ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
ASSESSMENT OF FORMS OF CROSS-SECTION OF BLASTING BAG FOR DESTRUCTION OF ROCK
Буялич Геннадий Даниилович,
доктор техн. наук, профессор, e-mail: gdb@kuzstu.ru Buyalich Gennady D., Professor, Dr. Sc Хуснутдинов Михаил Константинович, старший преподаватель, e-mail: hmk.gmk@kuzstu.ru Husnutdinov Mikhail К., Senior lecturer Баканов Александр Александрович, кандидат техн. наук Bakanov Alexandr А., С. Sc., Assistant Professor
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Аннотация. Использование удлиненного заряда с некруглой формой поперечного сечения позволяет управлять энергией взрыва, однако при полном заполнении полости взрывчатым веществом, его практическое применение для образования полости соответствующей формы ограничено возможностями конструкции бурового инструмента. В статье предложены критерии оценки форм поперечного сечения полости, полностью заполненной удлиненным зарядом взрывчатого вещества. Критерии рассмотрены с точки зрения эффективности взрывного воздействия на горную породу и могут быть использованы при создании и обосновании конструкций бурового инструмента. Сделан анализ геометрических форм поперечных сечений взрывной полости в виде правильных фигур, показано, что имеется взаимосвязь рассмотренных критериев, однако конкретное значение их может быть определено для имеющихся конструкций бурового инструмента.
Abstract. Use of an elongated charge of non-round cross-section form allows us to control the energy of explosion, but in the case of complete filling of the blasthole with the explosive, its practical application for formation of the appropriate form of the holey is limited by the design of the drilling tool. The paper proposed criteria for the assessment of the forms of cross-section of the blasthole completely filled with elongated explosive charge. The criteria are considered from the point of view of the efficiency of the explosive impact on the rock and can be used to create and justify the designs of the drilling tool. The geometric forms of blasthole cross-sections in the form of correct figures have been analyzed, the analysis shows that there is a relationship between the reviewed criteria, however, their specific value can be determined for the available designs of drilling tools.
Ключевые слова: Бурение, взрывная полость, буровой инструмент, форма буровой скважины, скважина, шпур.
Keywords: Drilling, blasthole, drilling bit, form of bore hole, borehole.
Традиционной формой поперечного сечения скважины или шпура является круглая форма, получаемая вращением инструмента, так как передача механической энергии на забой может происходить как посредством создания осевого усилия, так и крутящего момента, при этом эффективно решаются вопросы очистки скважины от буровой мелочи, в том числе с помощью
сложных механических систем [1,2].
Однако с помощью вращения инструмента возможно создание полости в горной породе с некруглым поперечным сечением [3], которая может быть использована для формирования удлиненного заряда соответствующей формы.
Наряду с изменением расположения и формы заряда в границах круглого поперечного сечения
[4], применение удлиненных зарядов с взрывчатым веществом, заполняющим полость с некруглым поперечным сечением, оказывает влияние на результаты взрывного разрушения горной породы.
В частности, известны результаты теоретических и экспериментальных
исследований по действию зарядов с круглым, эллиптическим, прямоугольным, треугольным поперечными сечениями [5-10], а также зарядов с нанесенным на стенке скважины концентратором напряжений [11], показывающие влияние формы поперечного сечения на результат действия взрыва.
Таким образом можно выделить значимые параметры поперечного сечения удлиненной полости (скважины или шпура), такие как форма и ее элементы, создающие концентраторы напряжений. Особенность действия заряда при форме полости, не имеющей выраженных углов сопряжения ее стенок, такой как, например, эллиптическая форма, основана на разности длин ее малой и большей осей, а особенность действия заряда при формах полости, имеющей выраженные углы сопряжения ее стенок, обусловлена, кроме этого, наличием концентраторов напряжений.
Увеличение разности длин осей полости в поперечном сечении приводит к увеличению степени отличия от круглого поперечного сечения и способствует увеличению концентрации растягивающих напряжений вдоль более длинных осей, а уменьшение угла сопряжения стенок способствует локальному увеличению концентрации растягивающих напряжений вблизи него.
Площадь контакта взрывчатого вещества с разрушаемым массивом также оказывает влияние на процесс разрушения горной породы [12].
Изменение формы поперечного сечения взрывной полости, заполненной взрывчатым веществом, приводит к изменению количества или объема взрывчатого вещества, приходящегося на единицу площади боковой поверхности взрывной полости.
Такой эффект от изменения формы поперечного сечения можно оценить относительно круглого поперечного сечения при условии равенства объема взрывной полости, которое равносильно условию равенства их площадей поперечного сечения. При одной и той же площади поперечного сечения и равном количестве взрывчатого вещества, можно получить разную площадь боковой поверхности, на которую воздействует это количество взрывчатого вещества.
Таким образом, в качестве показателей, характеризующих влияние формы поперечного сечения полости на процесс разрушения горной породы взрывом, предлагается учитывать
разность длин ее осей в поперечном сечении, наличие и выраженность концентратора напряжений в виде угла сопряжения ее стенок и увеличение площади боковой поверхности полости при переходе на некруглую форму ее поперечного сечения.
Предложено использование следующих количественно оцениваемых критериев.
1. Относительный размах радиусов полости:
^ ^тах ^тт
р
где Ящах ~ максимальный радиус описанной окружности поперечного сечения полости (рис. 1);
- минимальный радиус вписанной окружности поперечного сечения полости (рис. 1).
2. Угол сопряжения стенок полости: £(рис. 1).
3. Увеличение площади боковой поверхности полости, %:
/
5 =
ь
\
юа
,4-',
где Ь - периметр контура некруглого поперечного сечения полости;
Ь0 - периметр контура круглого поперечного сечения с площадью, равной площади некруглого поперечного сечения полости.
Данные критерии могут быть использованы для любой формы поперечного сечения.
При использовании концентраторов напряжений, образованных с помощью узких и неглубоких щелей, нанесенных на боковую поверхность круглой в поперечном сечении полости [13, 14], значения критериев Яа, £ являются несущественными. Если сопряжения стенок полости образуют углы, как, например при треугольной, квадратной форме поперечного сечения, оказывается влияние на процесс взрывного дробления по всем выше названным критериям, а при бурении происходит совмещение процесса создания такой формы и образование концентратора напряжений.
Учитывая обоснованность использования вращательного бурения скважин с некруглым поперечным сечением [3], в том числе шарошками [15], в табл. 1-3 рассмотрены значения критериев для форм в виде правильных фигур (рис.1). Вариант формы в виде окружности в табл. 1-3 представлен как предельный случай формы, когда угол сопряжения стенок является развернутым.
Наблюдается взаимосвязь критериев в рассмотренных случаях с правильными формами поперечного сечения.
Увеличение относительного размаха Я0 приводит к уменьшению угла е сопряжения стенок скважины и к увеличению площади боковой поверхности полости. Переход, например, с квадратной формы поперечного сечения на треугольную с выпуклыми сторонами,
может обеспечивать одинаковые значения угла £ сопряжения стенок скважины или относительного размаха Я0.
Значение угла е можно уменьшать без значительного уменьшения относительного размаха Яа и площади боковой поверхности полости. Кроме того, значения указанных критериев зависят от количества направлений Ятах
поперечного сечения взрывной полости (см. табл. 1-3). Точное определение взаимосвязи критериев в данной работе не рассмотрено, потому что эта взаимосвязь зависит от множества вариантов форм линий, слагающих границы поперечного сечения полости, обеспечиваемых конкретной конструкцией бурового инструмента.
Рис. 1. Параметры формы поперечного сечения удлиненной полости
Fig. 1. The parameters of the cross-sectional shape of the elongated cavity
Таблица 1. Критерии формы поперечного сечения с двумя направлениями R, Table 1. Criteria for the cross-sectional shape with two directions Rmax
Критерии
Вариант формы поперечного сечения Соотношение максимального Rmax и минимального Rmin радиусов Относительный размах радиусов R0 Угол сопряжения стенок е, град. Увеличение площади боковой поверхности полости 5,%
© окружность R R 0 180 0
0 выпуклые стороны ^min ^^max^-G® 0<Ro<l 0<г<18С 0<S<oo
Таблица 2. Критерии формы поперечного сечения с тремя направлениями R, Table 2. Criteria for the cross-sectional shape with three directions Rmax
Вариант формы поперечного сечения Соотношение максимального Rmax и минимального Rmin радиусов Критерии
Относительны й размах радиусов R0 Угол сопряжения стенок s, град. Увеличение площади боковой поверхности полости S, %
ф окружность D Е> ^max—^min 0 180 0
выпуклые стороны Rm in ax in O<K<l2 60<s<180 0<S< и. 0<S f 3 34 V ли <28,6 \ /
А прямолинейные стороны R ?R max~ min R0J- ° 2 e=60 / s= V и. 3 ^ 34 л/я / ли 28,6
А вогнутые стороны 2Rmin<Rmax«n t<R0<l 0<z<60 f 3\ 34 л/я V ) и. 28,6. <S<0о ли <S<<СО
Таблица 3. Критерии формы поперечного сечения с четырьмя направлениями R, Table 3. Criteria for the cross-sectional shape with four directions Rmax
Вариант формы поперечного сечения Соотношение максимального Ятах и минимального /?„,,„ радиусов Критерии
Относительный размах радиусов R0 Угол сопряжения стенок s, град. Увеличение площади боковой поверхности полости %
\ 5> окружность 1? R тах~ тт 0 180 0
выпуклые стороны ^т т ах т или ^т т ах^ ^ ^^т т "M'-ii) или 0<Ro<0,293 90<г<180 0<5<{2^к /1
( У я ^ или 0 <8 <12,8
прямолинейные стороны ^т ах 1п ИЛИ л -1414Я М'-н) или Ro=0,293 s =90 е Г ^^ Л
Г "" —1 \ 71 >1 или 8=12,8
1 .1___ вогнутые стороны л/2Кт1п<Ктах< оо или 1,414Ят1п <Ятах<сс НУ^1 или 0,293<R0 <1 0<г<90 Л о
tj i —1 <о <00 1 71 >1 или 12,8 <8 <оо
Форма некруглого поперечного сечения взрывной полости оказывает влияние на
конструкцию бурового инструмента, способную создавать соответствующую полость в горной породе, конкурируя с инструментом для бурения традиционно круглого поперечного сечения скважин или шпуров. Критерии формы поперечного сечения позволяют количественно оценить полученную форму с точки зрения
эффективности действия взрыва.
Предложенные критерии могут быть использованы также для многофакторного анализа конструкций бурового инструмента с учетом создаваемой им формы поперечного сечения взрывной полости для разрушения горной породы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 156637 Российская Федерация, МПК Е 21 В 7/28. Расширитель для бурения горизонтальных скважин [Текст] / JI. Е. Маметьев [и др.] ; заявитель и патентообладатель Федер. гос. бюджет, образоват. учреждение высш. профессион. образования «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева». - № 2015116469/03 ;заявл. 29.04.2015 ; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. - 2 с.
2. Пат. 156638 Российская Федерация, МПК Е 21 В 7/28 / Расширитель для бурения горизонтальных скважин [Текст] / JI. Е. Маметьев [и др.] ; заявитель и патентообладатель Федер. гос. бюджет, образоват. учреждение высш. профессион. образования «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева». - № 2015117310/03 ; заявл. 06.05.2015 ; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. -2 с.
3. Богомолов И. Д., Хуснутдинов М. К. Анализ направлений по созданию исполнительного органа для бурения скважин с концентраторами напряжений // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. Тр., № 19 / Ред. Кол. Егоров П. В. (отв. Ред.) и др.: Науч.-техн. центр «Кузбассуглетехнология» - Кемерово, 2002. - С. 120-127.
4. Исаков А. Л. О направленном разрушении горных пород // ФТПРПИ. - 1983. - № 6, С. 41-52.
5. Дубынин Н. Г., Володарская Ш. Г. Яновская Н. Б., Яновский Б. Г. Исследование влияния формы шпура на эффективность шпуровых зарядов // ФТПРПИ. - 1974. - № 6. - С. 104-106.
6. Беришвили Г. А., Михельсов Р. В., Гугушвили Н. Н., Эбралидзе Р. И. Влияние формы поперечного сечения зарядной камеры и конструкции заряда на эффект направленного раскола твердых тел // Физика и механика горных пород. - Вып. 2, Тбилиси, 1975. - С. 64-69.
7. Щерабак Г. С., Ансабаев А. О рациональности применения щелевых скважин // Сб. Взрывное дело: Достижения техники и технологии взрывных работ в горном деле, № 59/16, - М.: Недра, 1966. - С. 83-94.
8. Богомолов, И. Д. Результаты исследования разрушения массива бурением скважин круглой, треугольной и прямоугольной форм / И. Д. Богомолов, А. М. Цехин, М. К. Хуснутдинов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах: Материалы 4 Междунар. науч.-практ. конф., 21 -23 ноября 2000 г. - Кемерово, 2000. - С. 89-90.
9. Ищенко К. С., Коновал С. В., Кратковский И. Д., Курковская В. В., Курковский А. П. Экспериментально-аналитические исследования геомеханических процессов в массиве крепких сложноструктурных горных пород при взрыве зарядов ВВ различной формы // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. -№1. - Т. 1. - 2014. - С. 122-127.
10. Каркашадзе Г.Г., Алексеева В. А. Влияние формы горизонтального сечения скважинных зарядов на величину энергонасыщения породного массива при взрывной отбойке // ГИАБ. - №1. - 2000. - С. 33-35.
11. Theoretical and experimental studies an fracture plane control blast with notched boreholes / Ding Dex-ing, Zhv. Chenghang // Trans Nonferrous Metals Soc China. - 1999. - № 1. - C. 188-191.
12. Комир В. M, Чебенко В. Н., Чебенко Ю. Н., Кунаков Е. Ю. Регулирование крупности дробления горных пород взрывом путем изменения в конструкциях зарядов площади контакта взрывчатого вещества с разрушаемым массивом // Вюник КДПУ ímchí Михайла Остроградського. - Випуск 1/- 2008. -Частина 1. - С. 78-80.
13. А. с. 1670117 СССР, МКИ Е 21 С 9/00. Концентраторообразователь [Текст] / В. М. Кононов [и др.]. - № 4741081/03 ; заявл. 07.08.1989 ; опубл. 15.08.1991, Бюл. № зо. - 2 с.
14. А. с. 899822 СССР, МКИ Е 21 В 7/28. Устройство для выполнения взрывных шпуров и скважин / Д. П. Лобанов [и др.]. -№ 2791330/22-03 ; заявл. 10.07.1979 ; опубл. 23.01.1982, Бюл. № 3. -2 с.
15. Богомолов И. Д., Хуснутдинов М. К. Кинематические и геометрические аспекты бурения скважин некруглой формы шарошечным долотом // Вестн. КузГТУ - 2004. - № 6.1. - С. 15-18.
REFERENCES
1. Patent 156637 RU, ICL E 21 В 7/28. Rasshiritel' dlya bureniya gorizontal'nykh skvazhin [Extender for horizontal well drilling] / Mamet'ev L. E. [and other] : the patentee T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University. - № 2015116469/03 ; priority filing date. 29.04.2015 ; publ. date 10.11.2015, Bui. № 31. - p. 2.
2. Patent 156638 RU, ICL E 21 B 7/28. Rasshiritel' dlya bureniya gorizontal'nykh skvazhin [Extender for horizontal well drilling] / Mamet'ev L. E. [and other] ; the patentee T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University. - № 2015117310/03 ; priority filing date. 29.04.2015 ; publ. date 10.11.2015, Bui. № 31. - p. 2.
3. Bogomolov I. D., Khusnutdinov M. K. Analiz napravleniy po sozdaniyu ispolnitel'-nogo organa dlya bureniya skvazhin s kontsentratorami napryazheniy [Analysis of trends in the creation of the drilling bit of wells with stress concentrators] // Sovershenstvova-nie tekhnologicheskikh protsessov pri razrabotke mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh: Sb. nauch. Tr., № 19 / Red. Kol. Egorov P. V. (otv. red.) i dr.: Nauch.-tekhn. tsentr «Kuzbas-sugletekhnologiya» - Kemerovo, 2002. - P. 120-127 (rus).
4. Isakov A. L. O napravlennom razrushenii gornykh porod [On the directed destruction of rocks] // Journal of Mining Science. - 1983. - № 6. - P. 41-52 (rus).
5. Dubynin N. G., Volodarskaja Sh. G. Janovskaja N. B., Janovskij B. G. Issledovanie vlija-nija formy shpu-ra na jeffektivnost' shpurovyh zarjadov [A study of the influence of the shape of the hole on the efficiency of blast-hole charges] // Journal of Mining Science. - 1974. - № 6. - P. 104-106 (rus).
6. Berishvili G. A., Mihel'sov R. V., Gugushvili N. N., Jebralidze R. I. Vlijanie formy poperechnogo seche-nija zarjadnoj kamery i konstrukcii zarjada na jeffekt napravlenno-go raskola tverdyh tel [The influence of the shape of the cross section of the charging chamber and the design of the charge on the effect of directional split of solids] // Fizika i mehanika gornyh porod. - Book in part 2, Tbilisi, 1975. - P. 64-69 (rus).
7. Shherabak G. S., Ansabaev A. O racional'nosti primenenija shhelevyh skvazhin [About the rationality of the use of slotted wells] // Sb. Vzryvnoe delo: Dostizhenija tehniki i tehnologii vzryvnyh rabot v gornom dele, № 59/16, - M.: Nedra, 1966. - P. 83-94 (rus).
8. Bogomolov, I. D. Rezul'taty issledovanija razrushenija massiva bureniem skvazhin krugloj, treugol'noj i prjamougol'noj form [Analysis of trends in the creation of the Drilling bit of wells with stress concentrators /1. D. Bogomolov, A. M. Cehin, M. K. Husnutdinov // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti predprijatij v ugol'nyh re-gionah: Materialy 4 Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., 21-23 November 2000. - Kemerovo, 2000. - P. 89-90. (rus).
9. Ishhenko K. S., Konoval S. V., Kratkovskij I. L., Kurkovskaja V. V., Kurkovskij A. P. Jeksperimental'no-analiticheskie issledovanija geomehanicheskih processov v massive krepkih slozhnostrukturnyh gornyh porod pri vzryve zarjadov VV razlichnoj formy [Experimental and analytical investigation of geomechanical processes in complicated-structure rock MASSEs under blasting of explosive charges of different shapes] // Fundametal problems of the industrial geo-environment. - № 1. - Vol. 1. - 2014. - P. 122-127 (rus).
10. Karkashadze G.G., Alekseeva V. A. Vliyanie formy gorizontal'nogo secheniya skvazhin-nykh zaryadov na velichinu energonasyshcheniya porodnogo massiva pri vzryvnoy otboyke [The influence of the shape of the horizontal section of borehole charges by the amount of Energy-saturated rock mass by the explosive blasting] // Mining informational and analytical bulletin (Scientific and technical journal). - № 1. - Vol. 1. - 2000. - P. 33-35 (rus).
11. Theoretical and experimental studies an fracture plane control blast with notched boreholes / Ding Dex-ing, Zhv. Chenghang // Trans Nonferrous Metals Soc China. - 1999. - № 1. - C. 188-191.
12. Komir V. M, Chebenko V. N., Chebenko Ju. N., Kunakov E. Ju. Regulirovanie krupnosti droblenija gornyh porod vzryvom putem izmenenija v konstrukcijah zarjadov ploshhadi kontakta vzryvchatogo veshhestva s razrushaemym massivom [Regulation size crushing of rocks by explosion by changes in the con-constructions charges contact area explosives to break the rock] // Visnik KDPU imeni Mi-hajla Ostrograds'kogo. - Vol. 1. -2008. - Part 1.-P. 78-80.
13. Copyright certificate 1670117 SU, ICL E 21 C 9/00. Kontsentratoroobrazovatel1 [Forming surface-stress concentrator] / Kononov V. M. [and other] - № 4741081/03 ; priority filing date. 07.08.1989 ; publ. date 15.08.1991, Bui. № 30. - 2 p.
14. Copyright certificate 899822 SU, ICL E 21 B 7/28. Ustroystvo dlya vypolneniya vzryvnykh shpurov i skvazhin [Device for blasting holes and wells] / Lobanov D. P. [and other] - № 2791330/22-03 ; priority filing date. 10.07.1979 ; publ. date 23.01.1982, Bui. № 3. - 2 p.
15. Bogomolov I. D., Khusnutdinov M. K. Kinematicheskie i geometricheskie aspekty bureniya skvazhin nekrugloy formy sharoshechnym dolotom [The kinematic and geometric aspects of drilling non-circular shape of the rock roller bit] // Vestnik of Kuzbass State Technical University - 2004. - № 6.1. - P. 15-18.
Поступило в редакцию 30.12.2016 Received 30 December 2016
