Механические методы разрушения горных пород

При бурении скважин

Основные принципы разрушения горных пород

НОВЫЕ МЕТОДЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Лекция №11

Общее развитие науки и техники позволило разработать новые методы разрушения горных пород, таких, как термический, электрофизический, термомеханический, электрогидравлический и др.

Независимо от способа разрушения горной породы разрушение наступает при достижении напряжений, равных пределу ее прочности.

Разрушение породы может произойти и при меньших напряжениях. Этому способствует среда, обладающая поверхностно-активным эффектом и др.

Метод разрушения горной породы определяется характером физических, химических и физико-химических процессов, происходящих в породе, которые приводят к возникновению в ней разрушающих напряжений.

Все основные методы делятся на следующие группы: 1) механические, 2) термические, 3) электрофизические, 4) комбинированные.

В результате износа инструмента в процессе бурения, как правило, меняется его геометрия. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряжений в природе, к снижению производительности и увеличению энергии на разрушение единицы объема породы. Поскольку пока еще не созданы высокопрочные инструменты, основное внимание уделяется разработке таких механических методов разрушения, при которых снижается износ инструмента, или происходит без него.

К методам разрушения горных пород с помощью породоразрушающего инструмента относятся следующие:

1) Резание горных пород. Этот метод применяется при вращательном способе бурения скважин.

Резание горных пород с энергетической точки зрения является достаточно совершенным методом. Однако, этот метод малопроизводителен вследствие быстрого затупления инструмента при бурении абразивных пород средней и более высокой крепости.

2) Ударное разрушение горных пород отличается тем, что после каждого удара долото отрывается от забоя и проворачивается на некоторый угол. При небольшой частоте ударов этот метод (ударно-канатное бурение) малопроизводителен.

3) Резание и бурение с наложением ударных нагрузок. Удары могут передаваться в направлении подачи инструмента, либо в направлении резания. (Второй способ пока не нашел широкого распространения).

Ударно-вращательное бурение отличается тем, что к породоразрушающему инструменту приложены усилие подачи, крутящий момент и удары определенной частоты и силы.

При бурении шарошечными долотами динамические нагрузки возникают при перекатывании шарошек долота по забою. При правильном выборе параметров режима бурения и конструкции рабочего инструмента ударно-вращательное бурение для большинства горных пород более производительно, чем ударно-поворотное и вращательное.

При ударно-вращательном бурении сочетание статического усилия подачи и ударов позволяет повысить эффективность разрушающего действия ударных нагрузок, а также сдвигать элементы породы, находящиеся впереди (по движению) углубившегося в породу непрерывно вращающегося резца.

Чем выше модуль упругости горной породы, тем лучше ее разрушать ударными нагрузками. Чем выше коэффициент пластичности породы, тем успешнее может быть она разрушена путем сдвижения ее элементов непрерывно вращающимися прижатыми к породе и воспринимающими удары резцами. Поэтому для пород, характеризующимися разными коэффициентами пластичности, модулем упругости и твердостью, влияние статического усилия подачи на скорость бурения неодинаково.

Энергоемкость, т. е. количество энергии, расходуемое на разрушение единицы объема породы (кгм/см³) при ударно-вращательном бурении с увеличением усилия подачи вначале довольно быстро снижается, а при дальнейшем увеличении усилия подачи - остается постоянной или даже несколько возрастает (см. рис.46).

Рис.46 Зависимость энергоемкости от усилия подачи для разных коронок

На графике показана зависимость энергоемкости ударно-вращательного бурения от усилия подачи для разных коронок по песчанику при n = 196 об/мин. Коэффициент крепости по Протодьяконову f = 8-12. В заключение (по этому методу) можно сказать следующее: на

скорость бурения при ударно-вращательном способе оказывают существенное влияние скорость вращения и усилие подачи.