Механизм разрушения горной породы

Несмотря на ряд ошибок, И. С. Покровский правильно указывает, что зона разрушения породы распространяется в глубину от контактирующего с ней лезвия бура и возникающие в этой зоне напряжения способствуют отделению (скалыванию) крупных ее частиц. Такое представление о зоне разрушения породы под лезвием бура помогает не только объяснить механизм разрушения породы при бурении и процесс износа буров, но также наметить пути повышения эффективности бурения и износоустойчивости бурового инструмента.

Исходя из теории скольжения, полагаем, что разрушение горной породы состоит из двух последовательно чередующихся между собой процессов: дробления и скалывания. Параметры этих процессов зависят от физико-механических констант породы, геометрии головки бура и режима работы бурильного молотка. Независимо от этих факторов, любую головку бура можно рассматривать как клин или совокупность нескольких клиньев (в зависимости от формы головки) и, следовательно, считать, что бур, под действием ударной нагрузки внедряясь в породу, одновременно щечками лезвия сжимает ее. В начале сжатия порода поблизости к лезвию бура уплотняется (за счет пористости) и дробится. По мере углубления бура часть уплотненной породы вытесняется и скользит вверх по щечкам лезвий. При этом между раздробленной породой и щечками лезвий возникает трение, которое способствует быстрой изнашиваемости. С заглублением бура величина трения непрерывно возрастает (до момента скола породы), так как количество раздробленной породы увеличивается, следовательно увеличивается и площадь контакта между щечками бура и перемещающейся по ним раздробленной породой.

До скалывания породы в сторону плоскости, обнаженной предыдущим ударом, сопротивление внедрению бура возрастает. Во время скалывания сопротивление породы внедрению бура резко снижается за счет уменьшения площади контакта между лезвием бура и породой и уменьшения сил трения, так как раздробленная порода в этот момент беспрепятственно вытесняется за пределы зоны уплотнения.

Каждая порода скалывается под определенным углом к направлению сжимающей силы. Угол скалывания — одна из основных констант, характеризующих сопротивление породы разрушению.

Экспериментально определив, величину этого угла р, можно построить механизм разрушения горной породы под лезвием бура для трех следующих случаев:

1. Абсолютно острое лезвие бура. Действующую на бур силу Р можно разложить на две составляющие Рі и Р2, направленные, согласно теории работы клина, перпендикулярно щечкам лезвия ОЬ и 012. Силы Ре Р2,

сжимая породу, уплотняют и дробят ее. Каждая частица породы в зоне дробления стремится к перемещению под углом скалывания р. В треугольниках ОМ1К1 и ОМ2К2 частицы породы под действием сжимающих сил стремятся к перемещению в двух направлениях, параллельных сторонам ОКи М1К1 в треугольнике ОМ1К1 и ОК2, и М2К2 в треугольнике ОМ2К2. За пределами же треугольников ОМ и ОМ2К2 порода находится под действием только односторонних касательных напряжений, которые не могут вызвать ее дробления.

2. Лезвие с площадкой, перпендикулярной оси бура. Механизм разрушения горной породы аналогичен механизму разрушения в случае. Разница заключается лишь в том, что зона дробления породы больше и распространяется на значительную глубину под лезвием бура.

3. Лезвие бура закруглено (рис. 4). Разрушение горной породы при закругленном лезвии принципиально ничем не отличается от первых двух случаев. Лезвие в данном -случае можно рассматривать как сумму большого числа элементарных площадок, и, следовательно, глубина зоны дробления при этом будет зависеть от радиуса закругления лезвия. Чем меньше радиус закругления, тем меньше и глубина зоны дробления и, наоборот, чем больше радиус закругления, тем глубже и зона дробления. Таким образом, этот случай является промежуточным между двумя предыдущими.

Рассматривая эти три случая, можно заключить, что при работе острым буром отношение объемов сколотой породы к раздробленной всегда значительно больше, чем при работе буром с площадкой на лезвии. Это отношение при закругленном буре является промежуточным между первыми двумя и зависит от величины радиуса закругления.

Поскольку расход энергии на скалывание горной породы всегда меньше, чем на ее дробление, постольку производительность острого бура всегда выше производительности бура, имеющего площадку на лезвии.

Это положение полностью опровергает утверждение И. С. Покровского о том, что работать бурами с плоскими лезвиями выгоднее, чем острыми.

Угол поворота бура. Производительность бурения зависит от глубины внедрения, бура при каждом его ударе и от количества скалываемой при этом ударе породы, т.е. от возможности постоянного и скалывания породы хотя бы со стороны одной щечки. Это условие выполняется, если скалывающая плоскость проходит через плоскость, обнаженную предыдущим ударом. В этом случае на скалывание породы расходуется немного энергии, а основная ее часть затрачивается на образование новой обнаженной плоскости, т.е. на внедрение Оура. Поэтому при определении оптимального угла поворота бура между ударами следует стремиться не к двухстороннему сколу, при котором нельзя использовать обнаженные предыдущим ударом плоскости, как это рекомендует И. С. Покровский, а к сколу породы только в одну, противоположную вращению бура, сторону.

Угол поворота бура, принятый в современных бурильных молотках, как правило, обеспечивает такой режим бурения, и поэтому пока нет оснований его изменять.

Износ лезвия бура. Лезвия головок буров из обычных углеродистых сталей в процессе работы подвергаются механическому и термическому износу. Лезвия из специальных сталей или высоко красностойких твердых сплавов подвержены только механическому износу.

Приняв, что смятия лезвия во время работы не происходит и считая, что лезвие подвержено только механическому износу, нетрудно представить течение этого процесса во время работы бура.

Восприняв удар, лезвие бура, уплотняя и дробя породу, начинает внедряться в нее. С определенного момента лезвие бура начинает вытеснять часть раздробленной породы, и она поднимается вверх по его щечкам. Это взаимное перемещение бура и породы вызывает сильное трение между абразивными частицами породы и щечками лезвия, что способствует механическому износу последних.

Если не учитывать влияния таких факторов, как поворот бура в процессе работы и скалывание породы в основном только в обратную вращению бура сторону, то абсолютно острый бур будет изнашиваться за счет истирания не самого лезвия, а его щечек. Износ обеих щечек должен быть одинаковым, и, поскольку при всех прочих равных условиях механический износ отдельных элементов поверхностей зависит от пройденного ими в активном соприкосновении с породой пути, щечки будут по высоте изнашиваться не по прямым, а по некоторым кривым, вид которых зависит от материала буровой головки, ее геометрической формы, силы удара бурильного молотка и физико-механических свойств породы.

Если работать в тех же условиях буром, лезвие которого имеет перпендикулярную оси бура площадку, то вначале лезвие будет изнашиваться несколько иначе. В этом случае перемещающаяся вверх раздробленная порода будет снимать тонкие стружки со щечек лезвия, захватывая и площадку, иными словами, одновременно с износом щечек будет изнашиваться и собственно лезвие и головка будет постепенно приобретать форму.

Если же лезвие, одновременно с механическим, подвержено и термическому износу, самозатачивания не будет, а наоборот, за счет остаточных деформаций, вызываемых сильным нагревом лезвия, последнее будет постепенно закругляться, стремясь в пределе приобрести перпендикулярную оси бура площадку.

 

 

 

Записи горного дела