Библиотека

4.1. ТВЕРДОСПЛАВНОЕ БУРЕНИЕ

При твердосплавном бурении резец твердосплавной коронки под действием осевой нагрузки совершает поступательное движение вниз на некоторую глубину h и при приложении крутящего момента перемещается по кругу, вызывая скалывание или резание породы. В результате наложения двух перемещений резец будет совершать движение по винтовой линии. Поскольку глубина внедрения резца небольшая (несколько миллиметров) по сравнению с диаметром скважины, можно принять, что угол наклона плоскости забоя равен нулю. В связи с тем, что на резец действуют две силы (осевая нагрузка Р и сила резания F_p, создаваемая крутящим моментом), результирующая (равнодействующая) этих сил R при клиновидной форме резца будет действовать по наклонной плоскости I-I, располагающейся под некоторым углом γ к направлению действия осевой нагрузки. Равнодействующая сила R вызовет в месте контакта резца с породой появление упругих деформаций в виде поверхностей равных напряжений. При этом сферические поверхности приобретают вытянутую вдоль равнодействующей эллипсоидную форму (рис. 4.3).

Разрушение породы происходит по поверхностям максимальных напряжений, превышающих прочность породы на сдвиг. Такие поверхности появляются перед передней гранью резца в зоне сжатия, по которым и происходит скалывание породы. Задняя грань резца под действием силы Р будет оказывать давление на породу и сминать ее. Позади перемещающегося резца возникает зона растяжения, вызывающая ослабление связей в породе и образование микротрещин (1).

Внедрению резца в породу (рис. 4.4) будет препятствовать сопротивление породы в виде двух реакций: N₁ и N₂ .

Сила N₁ определяется сопротивлением породы разрушению на площадке S_см т.е. площадь задней грани, находящейся в контакте с породой, и пределом твердости породы на вдавливание Н_b :

N₁ = S_смН_bsinα . (4.8)

Сила N₂ возникает в результате движения внедряющегося резца и направлена против горизонтального перемещения. Значение этой силы определяется сопротивлением породы скалыванию σ и площадью скалывания S_сk , зависящей от угла внутреннего трения породы φ:

N₂ = σS_сk . (4.9)

Перемещение резца под действием равнодействующей силы R по плоскости /-/ вызовет появление сил трения на передней грани F = f N₁ { и на задней грани F₂ = f N₂ ; коэффициент трения породы о резец f = tgφ. Проекции сил, действующих на резец, на горизонтальную и вертикальную плоскости, выражаются следующими уравнениями:

     (4.10)

     (4.11)

Определяя из уравнения (4.10)

и подставляя это выражение в уравнение (4.11), найдем значение N₁ :

      (4.12)

Величину N₁ можно также определить из выражения

      (4.13)

где H_bsinα = N_y - удельное давление на задней грани резца; h - глубина внедрения резца; b - ширина резца; h / cosα = а - ширина площадки смятия.

Из выражений (4.12) и (4.13) определим

      (4.14)

В существующих коронках угол α = 72°, поэтому tgα = 3,08. Для угла α = 72° имеем η = 0,94. Так как в современной конструкции коронок b = 8,5 мм, формула (4.14) упрощается:

      (4.15)

За время t коронка внедряется в породу на величину

      (4.16)

где Р - нагрузка на резец; n - частота вращения коронки; m - число резцов в коронке; H_b - твердость породы.

Произведение Рm = G представляет собой осевую нагрузку на коронку.

Механическая скорость бурения определяется из выражения

      (4.17)

Таким образом, механическая скорость бурения находится в прямой зависимости от осевой нагрузки на коронку, скорости ее вращения и обратно пропорциональна твердости горной породы. Следует отметить, что это выражение справедливо для коронки с незатупившимися резцами. По мере износа резцов в коронке значение G необходимо увеличивать.

"Разведочное бурение" / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев, "Недра" М 2000

Вернуться в списку статей