Общей теорией, учитывающей весь комплекс прочностных свойств горных пород, является энергетическая теория прочности, которая принимает во внимание как упругопластичные свойства среды, так и временные характеристики ее разрушения. Энергетические показатели разрушения в значительной степени определяются условиями приложение механических нагрузок. В ряде работ показано, что удельная энергия разрушения всесторонне характеризует процесс разрушения горных пород при бурении. При этом многочисленными исследованиями установлено, что указанный физический показатель при оптимальных параметрах бурения имеет минимальное значение, которое характеризует сопротивляемость пород данному способу разрушения. Минимальная величина удельной энергоемкости разрушения горных пород обеспечивается определенными режимными параметрами бурения и качественной очисткой забоя скважины от буровой мелочи. Влияние этих условий накладывает определенные ограничения на диапазон пород, свойства которых можно определить без достаточной погрешности Эффективность применяемых на карьере режимных параметров определялась косвенным путем по ситовой характеристике бурового шлама разрушенных при бурении пород. Из-за ограниченной возможности варьирования в широких пределах режимов бурения (в производственных условиях) основные закономерности устанавливались путем сравнения экспериментальных данных с результатами исследований. Выполненные исследования показали, что увеличение давления на долото в крепких породах практически не изменяет энергоёмкости процесса (средний размер фракций при изменении осевого усилия от 20 до 30 т увеличился с 1,7 до 1,9 мм). По анализу результатов экспериментов и существующих исследований буримости пород можно заключить, что применяемые режимы бурения обеспечивают необходимые условия для получения достоверной оценки прочностных свойств массивов горных пород. Этот диапазон пород установлен при бурении скважин глубиной до 20 м с диаметром долота 243 мм. Удельная энергоемкость пород, определяемая при бурении, характеризует поле распределения прочностных свойств в массиве. Функция распределения удельной энергоемкости бурения позволяет оценить состояние массива точнее, чем любой усреднённый показатель, поскольку статистически распределённые в массиве микро- и макротрещины и другие внутриструктурные факторы являются случайными величинами. Такое представление функции удельной энергоемкости бурения значительно снижает погрешность, связанную с отклонением режимов бурения от оптимальных, обеспечивающих минимальную удельную работу разрушения. Это происходит потому, что случайные отклонения используемых режимов бурения от оптимальных подчиняются закону ошибок, т. е. нормальному.
В предлагаемом методе получения информации о прочностных свойствах массива неоднородный массив рассматривается как совокупность элементарных однородных объемов с различной величиной удельной энергоемкости бурения .Дополнительным преимуществом предложенного метода является использование для оценки состояния массива элементарных объемов, расположенных на одной прямой (скважине). Непрерывная запись значений мощности двигателя вращателя станка производилась самопишущим ваттметром Прибор включался в цепь статора двигателя через трансформаторы тока, как это показано. на схеме (рисунок 1). Количество энергии, затраченное на выбуривай не одного элементарного объема скважины, определялось графическим интегрированием диаграмм мощности двигателя вращателя бурового става.Значения мощности, соответствующие пределам интегрирования ,определялись с помощью разработанного датчика перемещения бурового снаряда, регистрирующего проходку скважины на диаграммной ленте. Датчик выполнен на базе стандартного ферродинамического преобразователя. Подача бурового снаряда в глубь скважины вызывает перемещение троса подачи гирлянды, который передает вращение мерному ролику. Мерный ролик через шестеренчатую передачу вращает профилированное лекало. Передача выбрана таким образом, чтобы одному обороту профилированного лекала соответствовало 4,8 оборота мерного ролика. При длине окружности мерного ролика 0,31 м подача бурового инструмента на 3 м вызывает перемещение троса гирлянды на 1,5 м, что соответствует одному обороту профилированного лекала. Лекало, вращаясь, сообщает рычагу, прижатому к его кромке, возвратно-поступательное угловое перемещение. Так как рычаг связан с рамкой ферродинамического преобразователя, то она также будет совершать циклические угловые перемещения из одного крайнего положения в другое. Э. д. с. рамки вследствие этого будет изменяться циклически . Рамка датчика перемещения связана с рамкой компенсирующего датчика ферродинамического измерителя (рисунок 2). Таким образом, вся шкала прибора при данном коэффициенте передачи отвечает 1,5м подачи бурового инструмента. Масштаб записи в этом случае дает удовлетворительную для чтения и обработки диаграмму для всех типов разрабатываемых пород при скорости перемещения диаграммной ленты 240 мм/ч (4 мм/мин). При такой скорости лентопротяжного механизма одной заправки диаграммной бумаги достаточно на 3 суток непрерывной работы устройства. Регистратор перемещения устанавливается в кабине машиниста бурового станка. Датчик закрепляется неподвижно в верхней части мачты станка на крестовине между роликами троса гирлянды. Кабель, подводящий напряжение к датчику индикатора подачи (шлангового типа), укладывается под натяжением и закрепляется скобками через каждые 2 м. Для точного совмещения значений диаграммы мощности двигателя вращателя и диаграммы перемещения бурового снаряда в датчике были дополнительно установлены два концевых выключателя, которые фиксировали (через реле и цепь напряжения ваттметра) на диаграмме мощности отметки через каждые 1,5 м проходки. Разработанный датчик в комплекте с другими приборами применяется для исследования процесса бурения и определения прочностных свойств породных массивов. По диаграмме подачи определяются прочностные характеристики разбуриваемых пород, скорость бурения, а также затраты времени на вспомогательные операции, время простоев. Эти данные используются для статистического анализа процесса шарошечного бурения.
Для более оперативного получения данных о прочностных свойствах пород разработан дискретный индикатор перемещения бурового снаряда, позволяющий совместить записи мощности и скорости бурения путем отсечки величины перемещения бурового снаряда (шага опробования) на диаграмме мощности. Поскольку информация о прочностных свойствах массива получается в виде непрерывной случайной функции координаты массива, при переходе к ее дискретным значениям необходимо выбирать величину шага опробования, позволяющую сохранить в функции распределения необходимую информацию о прочностных свойствах. Величина шага опробования, равная 0,4 м, обеспечивает получение достоверной статистической модели прочностных свойств пород. Принципиальная схема дискретного индикатора перемещения показана на рисунок 3. Мерный ролик, связанный с тросом подачи гирлянды, вращаясь, через каждые 0,4 м проходки заставляет срабатывать концевой выключатель КВ. Поскольку скорость движения троса гирлянды вдвое меньше скорости бурения, то длина окружности мерного ролика .вдвое меньше длины интервала: 2л /R = 0,2 м; D = 0,0637 м. Концевой выключатель через реле на диаграмме мощности регистрирует затраты энергии на бурение каждых 0,4 м скважины, что соответствует выбранному интервалу. Таким образом, единичным опытом, характеризующим прочностные свойства массива, считается разовое определение количества энергии, затраченной на выбуривание 0,4 м взрывной скважины диаметром 243 мм. Скорость движения .диаграммной ленты ваттметра для удобства обработки наблюдений L; устанавливается равной 600 мм/ч.
Во время наблюдений на диаграммной ленте производились пометки о режимах бурения, включая приближенную качественную оценку буровой мелочи, отмечались порядковые номера скважин и глубина бурения.. Энергия холостого хода определяется непосредственно из диаграммной записи. Для этого в предполагаемом режиме оборотов короткое время имитируется бурение с приподнятым над забоем скважины снарядом. Определенная по, диаграмме величина энергии холостого хода распространяется на время бурения каждого элемента скважины. Количество энергии холостого хода, определенное экспериментально, характеризует суммарную величину потерь в двигателе. С изменением крепости пород изменяются нагрузка двигателя и передаваемая на буровой став мощность, так как пределы изменения подачи инструмента на забой в существующих станках не позволяют осуществлять бурение с постоянной мощностью. С применением систем автоматического управления бурением с постоянной мощностью величина удельной энергоемкости бурения будет функционально связана с линейной скоростью проходки скважины. Следовательно, потери в двигателе состоят преимущественно из постоянных потерь холостого хода. При этом переменные потери асинхронного двигателя (пропорциональные квадрату тока) уменьшаются относительно номинальных в 9—16 раз и практически не изменяют потерь холостого хода. Средняя величина потерь холостого хода, определенная эмпирически, составляет 6,8 кВт (добавляются потери в редукторе) и в практических расчетах может быть принята постоянной. Определенная удельная энергоемкость бурения представляет собой количество энергии, затраченное на разрушение породы и износ долота. Как показали наблюдения, при бурении широкого диапазона пород износ твердосплавного вооружения не достигал и 50% по причине выхода долот из строя из-за заклинивания подшипников шарошек или поломок опор. Исследованиями установлено, что износ вооружения штыревых шарошек долот не влияет на механическую скорость проходки, а следовательно, и на энергоемкость бурения. Кроме того, значительный коэффициент вариации стойкости долот ( ks = 63,5%) при бурении одних и тех же пород показывает, что на стойкость долот оказывает влияние множество случайных факторов, что делает незначимой поправку, вводимую при определении удельной энергоемкости бурения. Отклонения же стойкости долот от среднего значения подчиняются нормальному закону и поэтому не вызывают изменения параметров функции распределения, характеризующей прочностные свойства пород массива. Отбор проб для исследования законов распределения энергоемкости бурения производился в квазиоднородных участках, определенных по геологическим планам и разрезам. Дня достоверной характеристики прочности пробуривались 35—40 пог. м скважин с непрерывной записью энергоемкости бурения. Место бурения каждой скважины определялось случайным образом (кроме первого ряда, как нетипичного) по площади разбуриваемого однородного участка с соблюдением принятой сетки скважин. Таким образом, показатели удельной энергоемкости бурения нескольких скважин представляют собой случайные выборки из генеральной совокупности квазиоднородного участка. Проверка однородности случайных выборок проводилась систематическими оценками параметров их распределений. Оценка параметров распределения случайных выборок позволила определить необходимый и достаточный объём информации квазиоднородных участков, который может быть получен при выбуривании 40-60 м скважин.