Основы теории вращательного бурения

Для бурения шпуров в породах мягких, реже средней крепости и крепких, но малоабразивных применяют вращательные бурильные машины (электрические или пневматические). В последние годы разработаны вращательные бурильные машины с гидроприводом.

При вращательном бурении разрушение горных пород производит резец (рис. 11), который под действием осевого усилия Р внедряется в породу, вращаясь производит разрушение ее по площади забоя шпура и с каждым оборотом перемещается поступательно под действием силы Q. Толщина снимаемой стружки 1 г. Таким образом, резец движется по винтовой поверхности (сочетание поступательного и вращательного движения).

Рис. 11. Схема разрушения породы при вращательном бурении

Скорость бурения резцовым инструментом подсчитывается по формуле V = птд, где п — частота вращения, с^ч; т — число лезвий резца; 3 — толщина срезаемого слоя породы, м.

Исследованиями процесса резания породы при вращательном бурении, проведенными в ИГД им. А. А. Скочинского, установлено, что между толщиной срезаемого слоя породы и частотой вращения резца существует линейная зависимость вида 3 = So — ап, где <5₀ — величина внедрения резца при п = 0; а — эмпирический коэффициент, равный тангенсу угла наклона прямой к оси х.

Подставив значение б, получим:

где, а — угол приострения лезвия резца, градус.

Дифференцируя уравнение по п, получаем:

Приравняв dv/dn к нулю, определим оптимальную частоту вращения:

Подставив «опт, получим:

Максимальная производительность бурения о_тт прямо пропорциональна числу одновременно действующих лезвий резца при постоянном удельном давлении лезвия на породу.

Из уравнения для /г₀пт следует: <5₀ ⁼ 2п₀пт;

В конечном виде o_nm = тп₀т ( — «₀ii_Ttg»).

Механизм разрушения пород при вращательном бурении носит характер периодического скола с резкими колебаниями усилий на лезвии инструмента от максимума до минимума. Это объясняется тем, что элементарный цикл разрушения характеризуется двумя периодами.

Первый период — период формирования перед режущей гранью главной величины давления без существенного продвижения резца. В этот период усилия на лезвии и потребляемая мощность станка увеличиваются до максимума.

Второй период — период скола главного объема элемента разрушаемой породы. При этом сопротивление породы и потребляемая мощность резко снижаются до минимума. Резец проходит некоторый участок встречи с ненарушенной породой, нанося при этом по ней удар. Сопротивление движению резца снова быстро увеличивается до максимума, и цикл разрушения повторяется. Для каждой породы характерны оптимальные величины осевого усилия и частоты вращения инструмента, при которых разрушение происходит с наибольшей эффективностью.

Теоретические расчеты сводятся к определению величин осевого усилия и глубины внедрения или скорости бурения, предполагая движение резца при разрушении породы по винтовой линии. Под действием осевого усилия инструмент внедряется в породу. Дальнейшее разрушение породы происходит под действием крутящего момента и осевого усилия.

Для вертикального перемещения резца необходимо приложить силу (Н).

где а — критическое сопротивление породы внедрению резца; S = (D — d)3ga — площадь участка породы, который подвергается разрушению при внедрении резца; D — диаметр резца, см; d — диаметр раствора перьев резца, см; а — угол приострения лезвия резца, градус; д — величина внедрения, см.

Величину критического сопротивления породы внедрению резца профессор В. Г. Михайлов предлагает определять по формуле где к = 0,5…0,7- коэффициент, учитывающий хрупкость бурильного материала; <�т_см — сопротивление материала смятию, Па.

Контрольные вопросы

• 1. Классификация способов бурения шпуров и скважин.
• 2. Принципы механического разрушения пород.
• 3. Механизм разрушения пород при ударно-поворотном бурении шпуров.
• 4. Механизм разрушения пород при вращательном бурении.