Источник: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 37 (2000) 599 – 613
В данной работе рассматривается изучение удара при бурении с погруженым пневмоударником (БПП). Здесь представлен метод альтернативный тому, который был предложен Лундбергом и его коллегами. Наша модель разработана по импульсному принципу, в то время как метод Лундберга основывается на решении уравнения одномерной волны. Относительно БПП, изучение предмета упрощается из-за того, что упрощен процесс динамичного взаимодействия нескольких объектов, а также полностью рассмотрены различные граничные условия, такие как постоянные силы массы, распределенные силы и начальные напряжения. Взаимодействие головки бура смоделировано, используя принцип пружины и переменный зазор, с помощью параметров, полученных экспериментальным путем другими исследователями, а также с помощью описанного в данной работе теста нормализованного квазистатического проникновения. Результаты моделирования согласуются с результатами, описанными в предыдущих публикациях, а также с подтверждающими экспериментами, проведенными группой авторов данной работы. © 2000 Elsevier Science Ltd. Все права защищены.
Ключевые слова: бурение по породе; распространение волн напряжения; молот БПП.
БПП – это ударно-роторная техника бурения, используемая главным образом для горных пород среднего и твердого типов. В данной технике используется пневматический молот, в котором при высоком давлении воздушная энергия переходит в кинетическую энергию поршня. Затем поршень ударяет по головке бура. Перед ударом на головку бура действует осевая сила, и весь молот находится в постоянном вращении. На поверхности корпуса, а также в каждой геометрической сингулярной точке каждой части корпуса появляется волна напряжений, созданная силой удара, которая частично отражается и передается. Волна напряжений, переданная в породу - это только часть начальной волны. Сама порода, поглощая большую часть энергии исходящей волны напряжений, передает определенное ее количество молоту и его опорной структуре.
Целью нашего исследования была разработка модели симуляции эффекта конфигурации, распределения масс, граничных условий и типа породы на эффективность молота БПП при передаче волны напряжений. Предложенный нами числовой метод может быть использован как инструмент для разработки пневматических молотов БПП, так как он позволяет рассчитать эффективность передачи энергии в породу, а это является ключевым аспектом работы молота.
При сравнении рабочих параметров двух молотов самым важным является показатель силы проникновения. Другими важными показателями являются расход воздуха, частота удара, давление воздуха, осевая сила и крутящий момент. Последние два параметра можно установить, сняв показания давления всасывания в гидравлический мотор и гидравлический цилиндр соответственно. Другие параметры, такие как сила удара поршня и отраженная частота, рабочий ход поршня, температура выпускаемого воздуха, мгновенное давление цилиндра и мгновенное положение поршня, могут быть установлены в лабораторных условиях. Измерение энергии разрушения измеряется так же, как и максимальная глубина проникновения при одноразовом ударе падающего молота. Использование этой информации может быть полезно при изучении молота с точки зрения термодинамики, а также силы удара. Оба эти аспекта имеют большое значение в эффективной работе молота.
Сложность данной проблемы уже много лет способствует изучению эффективности структурных параметров опытным путем. Работы Кларка [1], Хуструлида и Фейерхерста [2] являются отличными примерами такого подхода. Здесь мы можем видеть экспериментальное моделирование удара при бурении по породе; результаты таких экспериментов используются для прогнозирования эффективности работы молота. Неуместным является использование чисто аналитического метода моделирования, так как составные элементы пневматического молота имеют сложную конфигурацию, и даже наиболее передовые аналитические методы, описанные в научной литературе, используются при рассмотрении только простых геометрических фигур [3]. С другой стороны, числовое моделирование по методу конечных элементов сегодня широко используется при решении контактных проблем. Однако последние исследования рассматривают в большинстве случаев взаимодействие с упругими твердыми телами. Менее часто рассматриваются случаи взаимодействия с более твердыми породами. Последние исследования в данной сфере принадлежат научным группам под руководством Завариз [4] и Кристенсен [5], а также Хью [6], Восфи и Hyp [7].
Со временем ожидается, что расчет взаимодействия с твердыми породами станет возможным и с помощью числового моделирования по методу конечных элементов. Но на сегодняшний день метод, предложенный исследовательской группой Лундберга [8 – 10], является наиболее удобным по причине его простоты и точности. Данный метод предлагает решение уравнения волны напряжения с помощью алгоритма. Похожий метод характеристик используется при решении различных уравнений в механике. жидкости [11]. Таким образом, могут быть рассмотрены характеристики волны напряжения в одинаковые промежутки времени. Взаимодействие головки бура для бурения по твёрдым породам смоделировано в лабораторных условиях согласно экспериментальной модели, включающей симуляцию использования головки бура и процесса бурения твердой породы. Стоит заметить, что исследовательская группа во главе с Лундбергом проанализировала проблему бурения с непогруженным пневмоударником (БНП). При БНП поршень уже находится вне контакта с бурильной трубой, когда волна напряжения достигает породы, поэтому дополнительное взаимодействие между трубой и поршнем практически невозможно. Кроме того, при БНП головка бура и бурильная труба находятся в постоянном контакте друг с другом, в то время, как при БПП цилиндр молота может отделяться от головки бура, так как в процессе эти две детали плавно скользят вдоль друг друга.
При моделировании БПП важно учесть возможность кратковременного зазора между цилиндром молота и головкой бура, а также учесть возможность более чем одного удара между головкой и поршнем (или головкой и породой). Вдобавок, важным является учет различных параметров (например, начального напряжения, распределенных сил), а также начальных условий. Поэтому мы предпочли сформулировать нашу модель основываясь на импульсном принципе. Твердые вещества могут быть дискретизированы на точки и компоненты, а соответствующие импульсные уравнения применяются повторно, принимая во внимание, что волна движется в среднем со скоростью звука. Модель головки бура для бурения по твёрдым породам разработана согласно подобной схеме Лундберга. В данной модели предполагается, что порода обладает характеристиками пружины, а ее параметры зависят от типа породы, а также от структуры головки бура. Параметры получены эмпирическим путем. Квазистатический метод, основанный на измерении силы проникновения в породу, вместе с динамическими экспериментальными методами, описанными группой Карлссона [12] и Ксайо [13], также могут быть успешно использованы.
© 2010 Дерягина Дарья Анатольевна