СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБРАЗИВНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2005 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к способам определения абразивности горных пород и может быть использовано в горном деле, бурении, резании, обогащении и других областях народного хозяйства, где горная порода подвергается воздействию вращающегося инструмента, для выбора технических средств и технологии разрушения, нормирования труда и расхода материалов.

Известны способы определения абразивности горной породы, включающие различные виды механического воздействия на горную породу, разрушение горной породы и определение показателей абразивности по степени износа инструмента (см. книги: Барон Л.И., Логунцов Б.М., Позин Е.З. Определение свойств горных пород. М., Госгортехиздат, 1962; Абрамсон М.Г, Байдюк Б.В., Зарецкий B.C. и др. Справочник по механическим и абразивным свойствам горных пород нефтяных и газовых месторождений. М., Недра, 1984 г. и др.).

Недостатками известных способов определения абразивности горной породы является отличие формы применяемых инденторов и скорости приложения нагрузки на горную породу от формы породоразрушающего инструмента и скорости приложения усилий при воздействии инструмента на горную породу. Это обуславливает резкое отличие механизма разрушения горных пород при испытаниях от реализуемого в производственных процессах. Как следствие, абразивность горной породы, определенная по данным способам, не отражают реальной абразивности горной породы при бурении.

Известен способ определения абразивности горной породы при бурении (метод буровой коронки), включающий воздействие на горную породу буровой коронкой и определение абразивности горной породы по износу коронки по массе (см.: Гинзбург И.М., Оношко Ю.А., Методы выбора конструктивных параметров породоразрушающего инструмента./Обзор ВИЭМС. М., ВИЭМС, 1983 г., с.14). Бурение осуществляется при постоянном сочетании режимных параметров. Считается, что абразивность горной породы увеличивается при увеличении износа коронки. Способ обеспечивает при испытании наиболее полное воссоздание вида нагружения горной породы, реализуемого в производственных процессах бурения и резания.

Недостатками указанного способа являются: невозможность определения абразивности в реальном масштабе времени при бурении и недостаточная информативность используемого показателя абразивности, что обусловливает неточно точное определение абразивности горной породы. Определение показателя абразивности производится после окончания бурения, что не позволяет разделять абразивность горных пород, встречающихся внутри интервала бурения. Для породоразрушающего инструмента, состоящего из нескольких материалов, например алмазной коронки, указанный показатель абразивности (износ коронки по массе) недостаточно информативен и не позволяет определять возникающие виды износа (заполирование, прижог и др.)

Указанный способ выбран в качестве прототипа предлагаемого способа определения абразивности горных пород.

Сущность изобретения - способ определения абразивности горной породы состоит в том, что для повышения точности определения абразивности горной породы используются параметры акустических колебаний, возникающих в процессе разрушения горной породы вращающимся индентором, и суммарная мощность, реализуемая при разрушении горной породы. В процессе разрушения горной породы одновременно измеряется мощность акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц - W_A, скорость относительного перемещения индентора и горной породы и активная мощность, реализуемая приводным двигателем. Показателями абразивности горной породы являются:

1. Удельная акустическая энергия W_AV, выделившаяся при разрушении; определяется путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость υ_P относительного перемещения индентора и горной породы

W_AV=W_A/υ_P

2. Коэффициент К_P распределения энергии при разрушении определяется путем деления мощности акустических колебаний w_a на активную мощность Р_A

К_P=W_A/Р_A

Для групп горных пород, характеризующихся определенным абразивным воздействием на породоразрушающий инструмент, выражающимся в его ресурсе, и в виде износа устанавливают границы W_AV и К_P путем сопоставления результатов испытаний горных пород с производственными данными отработки инструмента по данным горным породам. Абразивность горной породы определяют путем отнесения ее к соответствующей группе по абразивности в соответствии с измеренными значениями W_AV и К_P при условии, что W_AV и К_P одновременно попадают в установленные границы.

Отличительными особенностями способа являются:

1. Использование в качестве показателей абразивности прочности величин, непосредственно связанных с физическими процессами, протекающими в зоне контакта породоразрушающего инструмента с горной породой, и отражающих спектр динамических и тепловых нагрузок, воспринимаемых породоразрушающим инструментом.

2. Связь используемых показателей с мгновенными значениями протекания процесса разрушения позволяет использовать способ в реальном масштабе времени непосредственно при разрушении.

Отмеченные отличия изобретения обеспечивают более точную и объективную оценку абразивности горных пород.

На фиг.1 показана зависимость ресурса Н_K алмазной коронки 01А4-76 от удельной акустической энергии W_AV, выделившейся при разрушении.

На фиг.2 приведен общий вид устройства определения абразивности горных пород предлагаемым способом.

Способ определения абразивности горной породы включает: воздействие на горную породу и разрушение горной породы вращающимся индентором, измерение мощности акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц - W_A, скорости относительного перемещения индентора и горной породы и суммарной мощности, реализуемой при разрушении горной породы - Р_A; расчет показателей абразивности горной породы - удельной акустической энергии W_AV, выделившейся при разрушении (путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость относительного перемещения индентора и горной породы) и коэффициента распределения энергии К_P (путем деления мощности акустических колебаний W_A на активную мощность Р_A); установление границ W_AV и К_P для групп горных пород, характеризующихся определенным абразивным воздействием на породоразрушающий инструмент, выражающимся в его ресурсе и виде износа, путем сопоставления производственных данных отработки инструмента по различным горным породам; определение абразивности горной породы путем отнесения ее к соответствующей группе по абразивности в соответствии с измеренными значениями W_AV и К_P при условии, что W_AV и К_P одновременно попадают в установленные границы.

Физической основой предлагаемого способа явились результаты экспериментальных исследований процессов механического разрушения горной и изнашивания породоразрушающего инструмента на основе акустических измерений, проведенные авторами при бурении скважин на месторождениях Карело-Кольского региона и Донбасса, а также на буровых и камнерезных стендах Всероссийского научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР) в 1985-2000 г.г. В процессе исследований изучались спектральный состав акустических колебаний в призабойной зоне бурящейся скважины и реза, абразивные свойства горных пород, технические показатели бурения и резания (скорость разрушения горной породы, вид износа и ресурс породоразрушающего инструмента и т.д.). Основным отличием проведенных ВИТР исследований явилось измерение акустических колебаний в призабойной зоне бурящейся скважины и реза; применение спектрального анализа в широком диапазоне частот до 20 кГц и выше, а также совместное использование акустических, тепловых и мощностных измерений.

В результате исследований установлено, что в области забоя или реза протекает высокочастотный физический процесс с незначительной амплитудой колебаний, следствием которого является возникновение акустических колебаний в диапазоне частот 7-20 кГц. Генезис акустических колебаний, регистрируемых в призабойной зоне, связан с динамическим импульсным характером взаимодействия резцов породоразрушающего инструмента с забоем и определяется процессами излучения акустических волн при упругой деформации и нарушении сплошности (развитием трещин) в горной породе. Экспериментальным подтверждением возникновения акустических колебаний, связанных с разрушением горной породы, явилось установление факта резкого увеличения при бурении или резании амплитуды высокочастотных колебаний в диапазоне 7-20 кГц. Для круга диаметром 304 мм при резании гранита со скоростью 0,2 см/с увеличение уровня звукового давления на расстоянии 0,5 м в диапазоне 7-20 кГц составило 352 раза (51 дБ), а в диапазоне менее 7 кГц - 1,8-71 раз (5-37 дБ) (табл 1).

Таблица 1Уровни звукового давления на расстоянии 0,5 м в частотных диапазонах при резании гранита алмазным кругом диаметром 304 ммДиапазон измерений, ГцУровень звукового давления, дБ (относительно 20 мкПа)холостое вращениерезание гранита0-22505522-40557440-80768280-1757788175-2508385350-7507486750-150076911500-300068863000-700059967000-200004697

В силу высокой частоты диапазон 7-20 кГц оказывается свободным от шумов, не связанных с разрушением. В низкочастотном диапазоне до 7 кГц, в основном, присутствуют шумы от непроизводительных процессов (вибраций инструмента).

Удельная акустическая энергия W_AV, выделившаяся в диапазоне 7-20 кГц при разрушении единицы объема горной породы, определялась как отношение мощности акустических колебаний W_A к объемной скорости разрушения горной породы и υ:

W_AV=W_A/υ Вт·с/м³

Для отражения изменения мощности акустического сигнала W_A использовалось среднеквадратичное значение (СКЗ) звукового давления ρ, измеряемое в паскалях, при этом удельная акустическая энергия W_AV имеет размерность Па·с/м³.

Исследование отработки алмазных коронок вместе с измерением звукового давления в призабойной зоне бурящихся скважин на ряде месторождений Карело-Кольского региона и Донбасса позволили установить существование зависимости между СКЗ звукового давления в диапазоне 7-20 кГц и ресурсом Н_к и видом износа алмазных коронок. С ростом звукового давления в призабойной зоне ресурс коронки уменьшается (фиг.1 и табл.2).

Таблица 2Звуковое давление в призабойной зоне и ресурс алмазных коронок на участке шахты Центральная - Новая (Донбасс)Горная породаЗвуковое давление на расстоянии 6 м от забоя бурящейся скважины, ×10^-3ПаСредний ресурс коронки, мГлинистый сланец0,4159Песчанистый сланец0,6938Песчаник1,5217Известняк1,7520Кварцит3,504

Установлено, что один из видов износа алмазного инструмента - заполирование алмазов возникает при бурении и резании, в основном, в горных породах с высокими значениями звукового давления и низким коэффициентом К_P (табл.3 и 4). При заполировании на алмазах образуются площадки со стеклянным блеском, при этом резко ухудшаются режущие свойства коронки или круга. Импрегнированный инструмент при заполировании нуждается в периодической заточке для обнажения новых алмазных зерен.

Способ был опробован в ВИТРе на устройстве (фиг.2), позволяющем разрушать поверхность горной породы вращающимся индентором, и снабженным датчиком акустических колебаний, установленным в призабойной зоне, и датчиком активной мощности, реализуемой приводным двигателем. Устройство (фиг.2) состоит из нагружающего блока, акустического датчика (микрофона), датчика активной мощности, реализуемой приводным двигателем, и измерительного блока. Нагружающий блок включает основание (1), исполнительный электродвигатель (2), направляющую (4), подвижную каретку (5), закрепленную на направляющей с возможностью перемещения вдоль нее, захват (6) с образцом горной породы, шпиндель (12) с алмазным кругом (11), передаточные механизмы ременного и червячного типов (3 и 13). Акустический датчик (7) размещается в призабойной зоне на кронштейне на расстоянии 0,2 м от алмазного круга и направлен активной частью на зону контакта круга с образцом горной породы. Сигнал с акустического датчика поступает на предварительный усилитель (8). Датчик активной мощности (10) включается в цепь питания приводного двигателя. Измерительный блок (9) построен на базе персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением и соединяется с акустическим датчиком (7) и датчиком активной мощности (10) посредством кабелей.

При включении электродвигателя (2), вращение, посредством передаточных механизмов, передается на шпиндель (12) с алмазным кругом (11) и подвижную каретку (5). В результате подвижная каретка (5) и захват (6) с образцом горной породы перемещаются с постоянной скоростью в направлении вращающегося алмазного круга (11). Глубина реза постоянна и равна 0,006 м. Скорость относительного перемещения круга и образца горной породы постоянна и равняется 0,002 м/с. Частота вращения алмазного круга равна 1400 мин^-1. Охлаждение круга осуществляется окунанием в емкость с технической водой. Измерительный блок (персональный компьютер с программным обеспечением) осуществляет обработку измерительной информации, поступающей с датчиков, анализ акустического спектра и расчет мощности акустических колебаний W_A в диапазоне частот 7-20 кГц, активной мощности и коэффициента К_P.

Показатели отработки алмазной коронки и алмазных сегментных кругов по некоторым горным породам и измеренные с помощью установки значения звукового давления, активной мощности и коэффициента К_р по тем же горным породам приведены в табл.3 и 4.

Таблица 3Показатели отработки алмазной коронки 01АЗДЗ0КЗ0-59 по различным горным породам и измеренные параметры    Измеренные параметрыГорная породаМесторождение (район работ)Средний расход алмазов, кар/мЗашлифование коронки при буренииЗвуковое давление, ПаАктивная мощность, ВтКоэффициент К_Р, ×10^-2 Па/ВтСланец глинистыйДонбасс0,17Нет0,10430,23Сланец песчанистый-″-0,26Нет0,14240,58АргиллитКарелия0,40Нет0,1350,29ТуфопесчаникКольский п-ов0,40Нет0,13121,08ПесчаникДонбасс0,58Нет0,18230,78Известняк-″-0,48Нет0,18420,43ИгнимбритИркутская обл.0,69Нет0,19360,53Гнейс гранат-биотитовыйКарелия0,80Нет0,21191,11ДацитИркутская обл.0,85Нет0,23360,64УртитХибины0,90Нет0,21380,55Пегматит плагиомикроклиновыйКарелия1,00Нет0,24201,20ФельзитМосковская обл1,04Есть0,24500,48Кварцит безрудныйОленегорск, Карелия1,70Есть0,24730,33КварцитКривой рог2,04Есть0,27700,39Кварцит гематит-магнетитовый-″-2,37Есть0,27740,36Кварцит краснополосчатый (джеспилит)-″-8,85Есть0,28970,28

Таблица 4Показатели отработки алмазных кругов ВИТР по различным горным породам и измеренные параметры    Измеренные параметрыГорная породаМесторождение (район работ)Средний расход алмазов круга, кар/м²Зашлифование круга при резанииЗвуковое давление, ПаАктивная мощность, ВтКоэффициент K_Р, ×10^-2 Па/ВтМраморРускеала, Карелия0,30Нет0,11430,26ИзвестнякЛенинградская обл.0,50Нет0,13500,26ГабброРоп-Ручейское,0,85Нет0,22570,38 Карелия     ГранитКаменогорское, Ленинградская обл.1,10Нет0,26470,55ГранитВозрождение, Ленинградская обл.1,10Нет0,25450,55ГранитЯнцевское, Украина1,30Нет0,29500,58Яшмаг.Полковник, Урал3,40Есть0,28910,30

С помощью устройства испытано более 3000 образцов горных пород. Результаты испытаний показали четкое разделение горных пород по удельной акустической энергии W_AV и коэффициенту К_P и их высокую корреляцию с расходом алмазов при бурении (ресурсом коронки) и видом износа (заполированием) алмазного инструмента). Знание предрасположенности горных пород к заполированию инструмента позволяет подобрать тип связки для обеспечения самозатачиваемости инструмента при бурении или резании.

Способ также может быть использован при определении абразивности горной породы непосредственно в процессе бурения и резания при обеспечении измерений акустических сигналов в диапазоне частот 7-20 кГц в призабойной зоне и реализуемой активной мощности.

Экономическая эффективность предлагаемого способа определения абразивности горных пород достигается за счет: повышения точности определения абразивности горных пород; прогноза вида износа породоразрушающего инструмента; отсутствия ограничений по области применения; экономии невосполнимого кернового материала; устранения операции пробоподготовки; высокой производительности и низкой стоимости испытаний.

Изобретение относится к способам определения абразивности горных пород с целью выбора технических средств и технологии разрушения, нормирования труда и расхода материалов. Способ определения абразивности горных пород заключается в воздействии на горную породу и ее разрушении вращающимся индентором, измерении мощности акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц - W_A и скорости относительного перемещения индентора и горной породы - V_P. В процессе разрушения горной породы дополнительно измеряют суммарную мощность, реализуемую при разрушении горной породы - Р_А, определяют показатели абразивности горной породы: удельную акустическую энергию W_AV, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость относительного перемещения индентора и горной породы; коэффициент распределения энергии К_Р путем деления мощности акустических колебаний W_A на мощность Р_A, устанавливают границы W_AV и К_Р для групп горных пород, характеризующихся определенным абразивным воздействием на породоразрушающий инструмент, выражающимся в его ресурсе и виде износа, путем сопоставления производственных данных отработки инструмента по различным горным породам, определяют абразивность горной породы путем отнесения ее к соответствующей группе по абразивности в соответствии с измеренными значениями W_AV и К_Р при условии, что W_AV и К_Р одновременно попадают в установленные границы. Данное изобретение позволяет повысить точность определения абразивности горных пород, спрогнозировать вид износа породоразрушающего инструмента и повысить производительность испытаний. 2 ил., 4 табл.

Способ определения абразивности горных пород, включающий воздействие на горную породу и разрушение горной породы вращающимся индентором, измерение мощности акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц - W_A и скорости относительного перемещения индентора и горной породы ν_p, отличающийся тем, что в процессе разрушения горной породы дополнительно измеряют суммарную мощность P_A, реализуемую при разрушении горной породы, определяют показатели абразивности горной породы: удельную акустическую энергию W_AV, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость относительного перемещения индентора и горной породы (W_AV=W_A/ν_p); коэффициент распределения энергии К_р путем деления мощности акустических колебаний W_A на мощность Р_А (К_р=W_A/P_A), устанавливают границы W_AV и К_р для групп горных пород, характеризующихся определенным абразивным воздействием на породоразрушающий инструмент, выражающимся в его ресурсе и виде износа, путем сопоставления производственных данных отработки инструмента по различным горным породам, определяют абразивность горной породы путем отнесения ее к соответствующей группе по абразивности в соответствии с измеренными значениями W_AV и К_р при условии, что W_AV и К_р одновременно попадают в установленные границы.