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

Описание патента на изобретение RU2257564C2

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 - WA, скорость относительного перемещения индентора и горной породы и активная мощность, реализуемая приводным двигателем. Показателями абразивности горной породы являются:

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

WAV=WAP

2. Коэффициент КP распределения энергии при разрушении определяется путем деления мощности акустических колебаний wa на активную мощность РA

КP=WAA

Для групп горных пород, характеризующихся определенным абразивным воздействием на породоразрушающий инструмент, выражающимся в его ресурсе, и в виде износа устанавливают границы WAV и КP 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 WAV и КP при условии, что WAV и КP 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 НK алмазной коронки 01А4-76 от удельной акустической энергии WAV, 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 - WA, скорости относительного перемещения индентора и горной породы и суммарной мощности, реализуемой при разрушении горной породы - РA; расчет показателей абразивности горной породы - удельной акустической энергии WAV, выделившейся при разрушении (путем деления мощности акустических колебаний WA на скорость относительного перемещения индентора и горной породы) и коэффициента распределения энергии КP (путем деления мощности акустических колебаний WA на активную мощность РA); установление границ WAV и КP 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 WAV и КP при условии, что WAV и КP 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 WAV, выделившаяся в диапазоне 7-20 кГц при разрушении единицы объема горной породы, определялась как отношение мощности акустических колебаний WA к объемной скорости разрушения горной породы и υ:

WAV=WA/υ Вт·с/м3

Для отражения изменения мощности акустического сигнала WA использовалось среднеквадратичное значение (СКЗ) звукового давления ρ, измеряемое в паскалях, при этом удельная акустическая энергия WAV 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 Нк 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 КP (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 WA в диапазоне частот 7-20 кГц, активной мощности и коэффициента КP.

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

Таблица 3Показатели отработки алмазной коронки 01АЗДЗ0КЗ0-59 по различным горным породам и измеренные параметрыИзмеренные параметрыГорная породаМесторождение (район работ)Средний расход алмазов, кар/мЗашлифование коронки при буренииЗвуковое давление, ПаАктивная мощность, ВтКоэффициент КР, ×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 параметрыИзмеренные параметрыГорная породаМесторождение (район работ)Средний расход алмазов круга, кар/м2Зашлифование круга при резанииЗвуковое давление, ПаАктивная мощность, ВтКоэффициент KР, ×10-2 Па/ВтМраморРускеала, Карелия0,30Нет0,11430,26ИзвестнякЛенинградская обл.0,50Нет0,13500,26ГабброРоп-Ручейское,0,85Нет0,22570,38КарелияГранитКаменогорское, 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 WAV и коэффициенту КP 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.

Похожие патенты RU2257564C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2000
  • Архипов А.Г.
  • Корнилов Н.И.
  • Целаки Ю.К.
RU2204121C2
Способ конического алмазного бурения скважин 1989
  • Воробьев Григорий Арутурович
  • Козловский Александр Евгеньевич
  • Новожилов Борис Анатольевич
  • Садыков Галимхан Сабирьянович
  • Богачев Михаил Юрьевич
  • Горохов Николай Александрович
  • Соловьев Иван Яковлевич
SU1670076A1
Устройство для бурения скважин 1989
  • Новожилов Борис Анатольевич
  • Воробьев Григорий Артурович
  • Козловский Александр Евгеньевич
  • Садыков Галимхан Сабирьянович
  • Богачев Михаил Юрьевич
SU1760068A1
АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА 2010
  • Будюков Юрий Евдокимович
  • Спирин Василий Иванович
  • Власюк Виктор Иванович
  • Наумов Олег Анатольевич
  • Ососов Игорь Анатольевич
RU2445438C2
Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации 2019
  • Нескоромных Вячеслав Васильевич
  • Петенёв Павел Геннадьевич
  • Головченко Антон Евгеньевич
  • Вяльшин Данис Рустамович
  • Рябова Арина Алексеевна
  • Комаровский Игорь Андреевич
RU2716631C1
Способ оптимизации процесса бурения 1990
  • Архипов Алексей Германович
  • Авдеев Сергей Александрович
  • Андреев Олег Серафимович
  • Гореликов Владимир Георгиевич
  • Шатров Борис Борисович
SU1809023A1
АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА 2011
  • Панин Николай Митрофанович
  • Комаров Михаил Алексеевич
  • Кононов Виктор Михайлович
  • Будюков Юрий Евдокимович
  • Цатурян Эдуард Ованесович
RU2468178C1
Способ регулирования режима 1989
  • Авдеев Сергей Александрович
  • Андреев Олег Серафимович
  • Архипов Алексей Германович
  • Рудакова Нина Петровна
  • Шатров Борис Борисович
SU1661386A1
АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА 2013
  • Панин Николай Митрофанович
  • Сорокин Владимир Федорович
  • Гавриленко Андрей Васильевич
  • Барашков Вячеслав Андреевич
  • Калиничев Владимир Николаевич
RU2513819C1
АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА 2010
  • Панин Олег Николаевич
  • Панин Николай Митрофанович
  • Цатурян Эдуард Ованесович
  • Захаров Юрий Никитович
  • Некрасов Игорь Николаевич
RU2418938C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 257 564 C2

Реферат патента 2005 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБРАЗИВНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

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 - WA и скорости относительного перемещения индентора и горной породы - VP. В процессе разрушения горной породы дополнительно измеряют суммарную мощность, реализуемую при разрушении горной породы - РА, определяют показатели абразивности горной породы: удельную акустическую энергию WAV, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний WA на скорость относительного перемещения индентора и горной породы; коэффициент распределения энергии КР путем деления мощности акустических колебаний WA на мощность РA, устанавливают границы WAV и КР 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 WAV и КР при условии, что WAV и КР 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.

Формула изобретения RU 2 257 564 C2

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 - WA и скорости относительного перемещения индентора и горной породы νp, отличающийся тем, что в процессе разрушения горной породы дополнительно измеряют суммарную мощность PA, реализуемую при разрушении горной породы, определяют показатели абразивности горной породы: удельную акустическую энергию WAV, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний WA на скорость относительного перемещения индентора и горной породы (WAV=WAp); коэффициент распределения энергии Кр путем деления мощности акустических колебаний WA на мощность РАр=WA/PA), устанавливают границы WAV и Кр 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 WAV и Кр при условии, что WAV и Кр одновременно попадают в установленные границы.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2257564C2

RU 2000104157 А1, 27.12.2001
СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 1997
  • Кретинин О.В.
  • Кварталов А.Р.
  • Лахонин А.Н.
  • Кудрявцев С.А.
RU2139517C1
СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПАРЫ ТРЕНИЯ 1990
  • Холодилов Олег Викторович[By]
  • Островский Евгений Иосифович[By]
  • Калмыкова Татьяна Михайловна[By]
RU2051368C1
Способ измерения микротвердости 1974
  • Анисимов Владимир Константинович
  • Вайнберг Виктор Ефремович
  • Соседов Виталий Николаевич
  • Шрайфельд Леонид Иосифович
SU503173A1
Способ определения показателя износостойкости материала в условиях ударно-абразивного изнашивания 1980
  • Романов Олег Михайлович
  • Рожкова Елена Владимировна
  • Шейвехман Абрам Овшевич
SU949405A1
Способ исследования износостойкости твердых тел 1981
  • Свириденок Анатолий Иванович
  • Калмыкова Татьяна Федоровна
  • Холодилов Олег Викторович
  • Смуругов Владимир Алексеевич
SU979958A1
US 5121339 А, 09.06.1992.

RU 2 257 564 C2

Авторы

Архипов А.Г.

Гинзбург И.М.

Корнилов Н.И.

Ивашев В.К.

Даты

2005-07-27Публикация

2001-07-31Подача