1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Виноградова Олена Петрівна

УДК 622.24.051

РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД ІНСТРУМЕНТОМ З ФУНКЦІОНАЛЬНИМИ

ЕЛЕМЕНТАМИ ІЗ КОМПОЗИЦІЙНИХ АЛМАЗОВМІСНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.15.09 – геотехнічна і гірнича механіка

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2015

2

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі «Комп’ютерне матеріалознавство структурованих

надтвердих матеріалів для породоруйнівних інструментів» Інституту надтвердих

матеріалів ім. В.М. Бакуля Національної Академії Наук України

Науковий керівник – доктор технічних наук

Свешніков Ігор Аркадійович,

пенсіонер.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Васильєв Леонід Михайлович

Інститут геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова НАН України,

(м. Дніпропетровськ)

завідувач відділу «Проблем руйнування

гірських порід»;

доктор технічних наук, професор

Красник Вячеслав Григорович,

Державне підпримство

Науково-технічний центр

«Вуглеінновація» Міністерства енергетики

та вугільної промисловості України (м. Київ),

генеральний директор

.

Захист відбудеться «28» січня 2016 р. о 14 00

годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.22 при Національному технічному університе-

ті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, вул. Бо-

рщагівська, 115, ауд.701.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національ-

ного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за

адресою 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «11» грудня 2015 р.

3

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Руйнування порід середньої міцності в нашій країні

спряжене з труднощами вибору породоруйнівного наконечника. Насиченість

абразивних пісковиків слабким слюдисто - кварцовим або глинистим цементом,

негативно позначається на зносостійкості функціональних елементів

твердосплавного інструменту. Проходка ним міцних пісковиків знаходиться в

діапазоні від кількох до кількох десятків сантиметрів, а механічна швидкість

руйнування не перевищує 0,3 м/год. Руйнування гірських порід середньої міцності

супроводжується обривами інструменту, аваріями та ускладненнями. Використання

алмазно-твердосплавних пластин (АТП) в породоруйнівному інструменті є

недоцільним через високу чутливістю АТП до динамічних навантажень та

складність їх кріплення до корпусів бурових коронок. Низька механічна швидкість

буріння порід середньої міцності імпрегнованими буровими коронками (0,6 м/год)

зумовлена руйнуванням матриці інструменту при осьових навантаженнях,

необхідних для об'ємного руйнування породи з відколом навколо ущільненого ядра.

Тому алмази в імпрегнованих коронках, відпрацьованих у кварцуватих породах, або

сколюютья і викришуються з матриці, або сильно оголені. Створення жорсткої

оболонки з твердого сплаву, що обтискає алмаз, є принциповою відмінністю

структури композиційного алмазовмісного матеріалу (КАМ) «славутич»

конструкції Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України (ІНМ).

Досвід використання елементів зі «славутича» в породоруйнівному інструменті

показує, що внаслідок високої адгезії алмазів з матеріалом матриці відбувається їх

утримання в інструменті при проходженні абразивних порід середньої міцності.

Тому наукове обґрунтування способів управління процесом руйнування абразивних

порід середньої міцності шляхом розвитку сучасних уявлень про механізм

руйнування гірської породи одиничним індентором, удосконалення конструктивних

рішень з врахуванням режимних параметрів та елементів структури КАМ в

породоруйнівному інструменті є актуальною науково-технічною задачею, що

має важливе народно-господарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до наукового спрямування роботи відділу

«Компьютерне матеріалознавство структурованих надтвердих матеріалів для

породоруйнівних інструментів» Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля в

рамках науково-дослідних тем : «Розробка технології анкерного буріння, створення

та впровадження нового високоефективного бурового інструмента» (№ ДР

0198U005233); «Компьютерне моделювання та дослідження механізму руйнування

міцних порід при застосуванні системи інденторів» (№ ДР 0107U000701);

«Розробка науково-технологічних основ формування структури алмазовмісних

гранул і технології їх нанесення на робочій поверхні породоруйнівного інструмента

в якості зносостійких ріжучих та відновлюючих елементів; розробка різців

обертальної дії, здатних ефективно руйнувати гірські породи міцністю 100 – 200

МПа, створення нових модифікацій АТР з підвищеною висотою алмазоносного

шару» (№ ДР 0109U000583), в яких автор брала активну участь, як виконавець.

4

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в

дослідженні закономірностей руйнування крихких міцних гірських порід

інструментом з функціональними елементами із КАМ.

Відповідно до поставленої мети сформульовано наступні задачі дослідження:

– виконати дослідження гранулометричного складу шламу міцних крихких

гірських порід з відмінними фізико-механічними властивостями алмазним

інструментом різного типу при зміні характеристик його робочої поверхні;

–дослідити геометричні параметри частинок шламу крихкої твердої гірської

породи функціональними елементами алмазного інструмента різних типів,

розробити математичну модель відколювання частинок шламу гірської породи

окремим індентором, розробити алгоритм обчислення енергоємності руйнування

гірської породи породоруйнывним інструментом;

–дослідити вплив коливання умовної лінії руйнування в радіальному напрямку

торця алмазних бурових коронок з різною конфігурацією контактної поверхні з

вибоєм гірської породи на ефективність її руйнування, обчислити енергоємність

руйнування зони спряження площин вибою та свердловини (керну) інструментом з

елементами зі «славутича» та розробити конструкцію бурової коронки, яка

забезпечуватиме інтенсивне руйнування гірских порід середньої міцності.

Об’єкт дослідження: процес руйнування крихких міцних порід інструментом

з функціональними елементами із КАМ.

Предметом досліджень є геометричні параметри частинки шламу твердих

крихких гірських порід одиничним індентором, та параметри, які визначають

характер розповсюдження тріщин передруйнування під функціональними

елементами в породоруйнівному інструменті, який проектується з метою

зниження енергоємності руйнування гірських порід при рівномірному зношуванні

його торця в радіальному напрямку.

Методи дослідження в рамках дійсної роботи були наступними: оптична та

електронна мікроскопія, гранулометрія, тензометрія, математичне моделювання,

технологічний метод спікання елементів з КАМ (гаряче пресування), руйнування

крихких міцних гірських порід інструментом з функціональними елементами із

КАМ, алмазною імпрегнованою коронкою, одиничним алмазним зерном, АТП,

алмазним відрізним сегментним кругом (АВСК), канатною пилкою та оптичного

скла БК – 8, що служить в якості моделі гірських порід, елементами із «славутича». Наукові положення, винесені на захист:

– ідентична конфігурація частинки шламу алмазним інструментом свідчить про

спільний механізм її відколювання від масиву гірської породи одиничним

індентором; математична модель відколювання частинок шламу від масиву породи

базується на положенні про зменшення їх розміру при зменшенні

навантаження на індентор;

– енергоємність руйнування гірської породи алмазним інструментом

розраховується при обчисленні площі зворотної поверхні частинки шламу,

величина якої залежить від конфігурації зони заглиблення індентору у масив

гірської породи; інтенсивне руйнування кутової зони вибою забезпечується

5

буровим інструментом з призматичними породоруйнівними елементами із КАМ,

внаслідок особливого характеру розповсюдження тріщин передруйнування;

Наукова новизна отриманих результатів, що виносяться на захист,

представлено у наукових положеннях, в яких вперше:

– встановлено за допомогою залежності площі поверхні витягнутого еліпсоїда

обертання стосовно фізичної моделі із оптичного скла зміну параметрів зони

передруйнування під індентором при статичному навантаженні, що сприяє

підвищенню інтенсивності тріщиноутворення та зменшенню енергоємності

руйнування вибою та кутової зони при середньостатистичній величині 180 Дж/м2

призматичним алмазовмісним індентором, при відсутності руйнування кутової зони

циліндричним індентором;

– встановлено експоненціальну залежність між наватаженням на індентор та

довжиною відколотих ним частинок шламу інваріантної конфігурації, покладену в

основу математичної моделі хвильового послідовно-періодичного утворення

частинок шламу гірської породи, товщина яких в 3 –10 разів перевищує

фіксовану глибину руйнування породи за оберт, чим відрізняється від результатів,

відомих раніше;

– обґрунтовано закономірності руйнування міцних крихких гірських порід

породоруйнівним інструментом, що відрізняються від існуючих врахуванням площі

зворотної поверхні одиничних частинок шламу інваріантної конфігурації незалежно

від їх габаритних розмірів та фізико - механічних властивостей гірської породи, що

дозволяє обчислювати енергоємність її руйнування даним типом інструменту.

Практичне значення отриманих результатів.

Практична значимість проведених наукових і експериментальних досліджень

полягає в удосконаленні технології видобутку корисних копалин при руйнуванні

крихких міцних порід алмазним буровим та каменеооброблюючим інструментом:

– обґрунтовано методику вивчення механізму руйнування гірської породи

індентором завдяки дослідженню конфігурації одиничної частинки шламу;

– розроблено алгоритм розрахунку енергоємності руйнування гірської породи

індентором або інструментом з врахуванням площі зворотної поверхні частинок

шламу, що дозволяє прогнозувати збільшення проходження гірських порід

середньої міцності у 100 – 200 разів;

– розроблено методику оцінювання енергоємності руйнування кутової зони

вибою індентором або інструментом з врахуванням площі поверхні тріщин

передруйнування, утворених в процесі навантаження на індентор;

– розроблено, виготовлено та застосовано обладнання для прошивання отворів у

графітовій прес-формі для виробництва елементів із КАМ, уніфікованих за

розмірами та відмінними за ступенем оснащеності алмазами, що сприяє рівномірній

зносостійкості бурового інструменту в радіальному напрямку короночного торця;

– розроблено, виготовлено та випробувано бурові коронки з призматичними

елементами із «славутича» з відмінною оснащеністю в радіальному напрямку

короночного торця, але уніфіканих за формою, що зменшує трудоємкість

виробництва бурових коронок, які забезпечують збільшення механічної швидкості

буріння гірських порід середньої міцності у 8–10 разів;

6

Методику дослідження робочої поверхні алмазного інструменту та частинки

шламу використано у навчальному процесі на кафедрі «Геобудівництва та гірничих

технологій» в Інституті енергозбереження та енергоменеджменту Національного

технічного університету України «Київський політехнічний інститут» для

мікроскопічного аналізу ступеня тріщинуватості поверхні зразків гірських порід.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві,

полягає у: [2] – аналізі результатів, графічних роботах; [3] – аналізі конфігурації

частинок щдпму та встановленні закономірностей їх утворення; [7] – pозробці

плану експерименту, креслень, мікроскопічних дослідженнях поверхні коронок з

призматичними елементами; [8] – мікроскопічних дослідженнях поверхні елементів

зі «славутича» та частинок шламу, встановленні закономірностей відколювання

частинок шламу; [10] – ідеї конструкції пристрою, розробці креслень, виконанні

досліджень; [11] – ідеї конструкції пристрою, розробці креслень; [12] – розробці

креслень, написанні патенту; [13] – розробці креслень, дослідженні поверхні

функціональних елементів коронки; [14] – ідеї заявленої схеми розташування

призматичних елементів з різною оснащеністю алмазами, розробці креслень,

мікроскопічних дослідженнях робочої поверхні коронки; [16] – аналізі результатів;

[17] – розробці плану експерименту, аналізі результатів; [19] – розробці плану

експерименту, проведенні випробувань, аналізі результатів; [20] – мікроскопічних

дослідженнях поверхні контакту алмазу з гірською породою.

Апробація результатів дисертації: Результати дисертаційної роботи

доповідались і обговорювались на Міжнародних науково-технічних конференціях

«Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и

технология его изготовления и применения» ( пгт. Морское, Крым, 2001 г., 2003 г.,

2005 г., 2009 г., 2011г., 2013г., г.Трускавец, 2014г.); «Теоретичні та

експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства і

машинобудування» (Луцьк, ЛНТУ); “XI Szkola geomechaniki”. – Gliwice – Ustron

(Poland), 2013 р. та на наукових семінарах в ІНМ ім. В.М.Бакуля. У повному обсязі

робота доповідалась на науковому семінарі відділу ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН

України (Київ, 2014 р.), на розширеному засіданні секції Вченої ради «Надтверді

матеріали і композити в породоруйнівному інструменті і вузлах тертя» ІНМ ім. В.

М. Бакуля (Київ, 2015 р.) та на спільному засіданні кафедр «Геобудівництво та

гірничі технології», «Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв» та

кафедри «Інженерна екологія» Інституту енергозбереження та енергоменеджменту

Національного технічного університету України “Київський політехнічний

інститут” (Київ, 2015 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 21 наукова праця, у

тому числі, 8 статей у наукових фахових виданнях України, серед яких – 1 стаття у

виданні України, яке включене до міжнародних наукометричних баз, 1 патент

України на винахід та 6 патентів України на корисну модель, 4 тези доповідей в

збірниках матеріалів міжнародних науково-практичних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів,

висновків, викладених на 195 сторінках тексту, 142 рисунків, 7 таблиць, списку

використаних джерел, який містить 124 найменування.

7

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформу-

льовано мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наукову

новизну та практичне значення роботи. Відзначено особистий внесок здобувача в

наукові праці та розробки, які опубліковано у співавторстві з іншими науковцями.

Викладено дані щодо апробації та кількості публікацій за результатами дисертації.

Перший розділ присвячено аналізу літературних джерел з проблеми. Роботами

видатних учених Царицина В.В., Епштейна Є.Ф., Остроушка І.А., Ейгелеса Р.М.,

Глатмана Л.Б., Співака O.І., Дворнікова Л.Т., Алієва О. Д.,Москальова О.М.,

Кутузова Б.Н., Барона Л.І., Арцимовича Г.В., Шрейнера Л.О., Протасова Ю.І.,

Свєшнікова І.А., Кагарманова Н.Ф., Кропивина М.Г. та інших розроблено основні

положення теорії руйнування гірських порід різними механічними способами.

Згідно з теорією Гріффітса, руйнування відбувається при досягненні

критичного значення комбінації навантажень, деформацій, температур та при

наявності критичних тріщин або дислокацій в об’ємі твердого тіла. Руйнування

індентором гірської породи Хюенг Х. та Дітомей Е. вважають розрив зв’язків між

зернами, що формують моноліт гірської породи, або їх конгломератами, що не

мають ідентичних ні форми, ні розмірів, тоді як Дамаскінська Є.Є. стрверджує, що

продукти руйнування гірської породи – однакові елементи, а руйнування є

накопиченням дефектів у просторі і в часі. Експериментально підтвердив гіпотезу

Ребіндера П.О. про сприяння інтенсифікації процесу руйнування породи зоною

передруйнування під буровим інструментом та схематично окреслив геометричні

параметри цілику гірської породи в результаті руйнування її різцевим інструментом

Свешніков І.А.: різець, формуючи ядро деструктурованої породи, утворює низку

великих еліпсоподібних тріщин, між якими розташовуються дрібні тріщини

передруйнування того ж виду. В алмазній буровій коронці функцію різця виконує

алмаз, закріплений в твердосплавній матриці, робочу кромку якого Ключанський

Г.В. ототожнював з тупим різцем. Процесам різання і мікрорізання при алмазному

бурінні надають перевагу Барон Л.І. і Епштейн Є.Ф., а Романцев. Л.І., Волков O.С.,

Волков С.O., Гітциграт Е.Е. – втомному зносу породи. Шрейнер Л.О., Кувикін С.І.,

Кагарманов Н.Ф. визначним фактором при руйнуванні породи алмазом вважають

сколювання. Ісаєв М.І., Пономарьов П.В. стверджують, що порода руйнується

пружною хвилею внаслідок періодичних мікроударів алмазу у вибій гірської

породи. Ісаєв М.І., Пономарьов П.В., Воздвиженський Б.І., Брідвелл Х. вважають,

що продуктами руйнування гірської породи є сферичні тіла, Бугайов О.О

представляє їх дрібними довгастими частинками, а Будюков Ю. Є., Власюк В.І. і

Спирін В.І. – трикутноподібними. Проте всі вищеназвані вчені впевнені: товщина

знімаємого алмазом шару відповідає заглибленню індентору за оберт, а розмір

частинок шламу дозволяє їм переміщуватися під торцем інструменту. Теоретичні та

практичні дослідження у галузі напрямків вдосконалення конструкції

породоруйнівного інструменту з метою збільшення ефективності руйнування

гірських порід проведені Арцимовичем Г.В., Васильєвим Л.М., Свешніковим І.А.,

Вовчановським І.Ф., Бугайовим О.О., Богдановим Р.К., Фадєєвим В.Ф., Лівшицем

В.Н., Лукашем В.А., Майстренком А.Л., Красником В.Г., Закорою А.П., Ісонкіним

8

О.М., Опольським В.І., Левіним М.Д, Семеновим О.І. Важливим аспектом при

конструюванні породоруйнівного інструменту є рівномірний знос його

функціональних елементів. Крім того, згідно з висновками Симонянца Л.Е.,

Жлобинського Б.А., Арцимовича Г.В. та Свешнікова І.А. енергоємність

руйнування кутової зони вибою буровою коронкою більш чим у два рази вища, ніж

у центральній зоні вибою. Виходячи з аналізу досліджень за даним напрямком і

виявлених недоліків, сформульовано, наведені вище, мету та задачі роботи.

В другому розділі розглянуто методики досліджень механізму руйнування

гірської породи алмазними інструментами різних типів. Відбір шламу пісковику

Торезького родовища елементами зі «славутича» проводили на установці для

експрес-оцінки експлуатаційних характеристик матеріалів, а відбір шламу при

відпрацюванні АТП проводили на стенді, створеному на базі поперечно-

стругального верстату типу 7В36. Розглянуто методики досліджень

гранулометричного складу шламу пісковику Торезького родовища циліндричними

елементами зі «славутича» з відмінною робочою поверхнею при використанні

лазерного гранулометра LMS –30 (Laser Мicron Sizer) та мікроскопа DiaInsрect

OSM фірми VOLLSTADT DIMANT GmbH. Дослідження стану робочої поверхні

породоруйнівних елементів різної конфігурації відбувалось за методикою

мікроскопічних досліджень робочої поверхні сегментів АВСК, започаткованою

Александровим В.А., при використанні приладу для дослідження властивостей

робочої поверхні алмазного інструменту та мікроскопу МІН-8, а вивчення

геометричних параметрів частинок шламу зазначених порід алмазними

інструментами різних типів відбувалось при використанні мікроскопу Ломо Метам

Р – 1 з CCD відеокамерою Digital KOCOM при збільшенні об’єктивів в 175, 360

та 900 крат. Представлено методику досліджень впливу коливання умовних ліній

руйнування в радіальному напрямку торця бурових коронок з елементами зі

«славутича» циліндричної та призматичної форм при варіюванні схем їх

розміщення в інструменті на ефективність його роботи на стенді, створеному на

базі радіально-свердлильного верстату моделі 2Н58. Для дослідження характеру

розповсюдження тріщин передруйнування в кутовій зоні блоку з виступом

відполірованого оптичного скла БК-8, що моделює тверді крихкі гірські породи,

елементами зі «славутича» різної форми при статичному навантаженні, було

використано експериментальний стенд, створений на базі токарно-карусельного

верстату моделі 1М552. Стенд забезпечено пристроєм для вимірювання та

реєстрації складових сил руйнування породи та системою фірми Hottinger Baldwin

Messtechnik (ФРН), що включає пристрій збору й перетворення інформації Spider та

програмне забезпечення для реєстрації й обробки різультатів за допомогою ПК.

У третьому розділі розглянуто закономірності руйнування гірської породи

алмазним інструментом різних типів на основі вивчення геометричних параметрів

частинок шламу гірських порід з різними фізико-механічними властивостями:

пісковику Торезького родовища елементом зі «славутича» і АТП, гранітів

Ємел’янівського, Покостівського родовищ й пісковику Торезького родовища

АВСК 1А1RSS/С1500 АС 160 400/315. Для одержання шламу застосовувались

циліндричні елементи зі «славутича», робочу поверхню яких показано на рис.1 а, б,

9

в. Аналіз розподілів, (рис.1 є, ж, з), отриманих за допомогою LMS – 30 дозволив

зробити висновок – щодо функції утворення максимальної кількості частинок

шламу (7,2 %) відповідного розміру (32,78 мкм) є елемент з зернистістю алмазів

800/630, рис. 1,б. На підставі вимірювання величини виступання (вильоту, ) над

матрицею алмазів, будувалися відповідні розподіли (рис.1, г, д, е). Відсутність

частинок шламу з розміром більше 100 мкм у всіх пробах при вильоті алмазів, що

досягав 280 мкм, рис.1 д, допускала ймовірність пошкодження частинок шламу.

100µm

100µm

100µm

а б в

г д е

є ж з

Рис. 1. Загальний вигляд: а – робочих поверхонь циліндричних елементів зі

«славутича» діаметром 10мм з відносною концентрацією алмазів 100 % та їх

зернистістю: 400/315 мкм; б –800/630 мкм; в – 1000/800 мкм; г – е – відповідних

гістограм розподілу вильотів алмазів з матриці породоруйнівного елементу; є –з –

відповідних гістограм розподілу шламу пісковику Торезького родовища, d, мкм –

діаметр частинки шламу, n, % – вміст частинок даного діаметру, , мкм – виліт

алмазного зерна над матрицею)

32,7832,78 32,78

10

Розміри деяких частинок шламу, відібраних в результаті руйнування

пісковику IX категорії буримості елементом зі «славутича», рис.1б, при

застосуванні мікроскопу Ломо Метам Р – 1, перевищували 2000 мкм, а їх товщина

досягала 800 мкм при переважній кількості частинок розміром 200 – 400 мкм. Згідно

з гістограмою розподілу середнього діаметра частинок шламу пісковику Торезького

родовища елементом при застосуванні мікроскопу DiaInsрect OSM, мода відповідає

діаметру частинок до 200 мкм, при наявності частинок діаметром 400 –3000 мкм.

В результаті дослідження проб шламу великої потужності з метою вивчення

геометричних параметрів одиничної частинки продуктів руйнування крихких

міцних порід буровим та каменеоброблюючим інструментом було зроблено

висновок, що частинки шламу, рис. 2, незалежно від масштабного фактору, типу

інструменту та властивостей гірських порід мають подібну конфігурацію, яка є

наслідком діючого напружено-деформованого стану під індентором.

10 мм

VV

10mm 1mmV

V

100µm

V

100µm

а б в г

Рис. 2. Загальний вигляд частинки шламу: а – пісковику Теребовлянського

родовища твердосплавним різцем при глибині різання hp = 8 мм; б – пісковику

Торезького родовища АТП; в – пісковику Торезького родовища циліндричним

елементом зі «славутича», г – граніту Ємел’янівського родовища АВСК 1А1RSS /

С1500 АС160 400/315мкм, V – напрямок відколювання частинки шламу

Узагальнену схему вимірювання розмірів одиничної частинки шламу, що

може утворюватися при руйнуванні гірських порід з відмінними фізико-

механічними властивостями інденторами різного типу, представлено на рис. 3.

Рис. 3. Узагальнена схема вимірювання розмірів

частинки шламу, утвореної при руйнуванні

гірської породи різцями з твердого сплаву, АТП,

елементом зі «славутича», алмазною

імпрегнованою коронкою, канатною пилкою,

АВСК 1А1RSS/С1500, алмазним зерном: а, b –

габаритні розміри частинки шламу ; D – ширина

зони заглиблення індентора; H – відстань між

осями двох заглиблень у разі відколювання

частинки шламу сусідніми інденторами; Δ –

різниця довжини правої і лівої бічних частин

фрагмента шламу; l –довжина зони заглиблення

Δ

a

b

D

rrrl

Н

l

γ

H

b

a

∆∆

a

∆

l

γ

DD

11

Товщина одиничної частинки гірської породи – реальна глибина руйнування

гірської породи одиничним індентором, а найбільша її товщина у пробі шламу є

максимальною глибиною руйнування породи одиничним індентором за оберт.

Вибій складається не зі злитих рядів-борозн, утворених окремими алмазами, а

представляє собою низку «кратерів», що залишаються після відколювання

частинок шламу з періодом Т, зворотна поверхня яких віддзеркалює поверхню

новоутворених «кратерів». Частинка шламу, що не має вищезазначених ознак, є

результатом подрібнення відколотого зразка. Тому саме стала конфігурація

відколотих частинок здатна констатувати факт руйнування блоку породи на

глибину, рівну їх товщині, крім того, вона встановлює зв'язок між глибиною

руйнування і габаритними розмірами відколотої частинки. Наявність частинок

гірських порід сталої конфігурації, товщина яких значно перевищує значення

подачі на оберт, у середньому, у 3 – 10 разів, свідчить про високу ефективність

руйнування. Виявлена ідентичність поверхні відбитка індентора в момент

мікроудару у блок гірської породи вищезгаданими інструментами та одиничним

алмазним зерном, є наслідком єдиного механізму зіткнення одиничного індентора з

масивом гірської породи. На базі вищевикладених досліджень розроблено

математичну модель хвильового послідовно-періодичного відколювання частинок

шламу гірської породи одиничним індентором.

Як показують результати досліджень руйнування гірської породи окремим

індентором, продуктивність процесу руйнування, а отже і розміри частинок шламу

залежать від радіуса кривизни передньої кромки індентора. У міру затуплення

передньої кромки різця довжина частинки шламу b (див. рис. 3) зменшується. Із

наведеного вище випливає, що існує зв’язок між явищем зношування (затуплення)

передньої кромки індентора та характером руйнування породи – зменшенням

розмірів частинок шламу.

Якщо від радіуса кривизни r(t) перейти до кривизни k(t): )(

1)(tr

tk , то для

послідовності n

n rk

rk

rk

rk 1...,,1,1,1

2

2

1

1

0

0 отримаємо експоненціальну криву. За

експериментальними даними можна знайти залежність k = k(t), апроксимувавши ці

дані відповідною експоненціальною чи степеневою кривою. Виведемо рівняння, яке

описує зміну кривизни робочої кромки індентора в процесі його роботи. Швидкість

зміни кривизни кромки t

tkttk

)()( на інтервалі часу [t; t + Δt] пропорційна

середній величині механічного напруження на кромці (наприклад, нормального

напруження n )

n

t

tkttk

)()(, (1)

де α – коефіцієнт пропорційності, а знак “мінус” означає, що із плином часу

кривизна кромки зменшується. Величину напруження n можна обчислити за

формулою

12

)(tS

Fn

n , (2)

де Fn – нормальне зусилля на передній кромці, S(t) – площа контакту поверхні

індентора з породою. Площа S(t) змінюється в часі і залежить від радіуса r(t)

кромки. В першому наближенні можна прийняти (рис. 3), що між S(t) і r(t) є прямо

пропорційна залежність:

S(t) = βr(t), (β = const) або )(

β)(

tktS , (3)

де β – коефіцієнт пропорційності. В результаті підстановки співвідношення (3) в (2),

а потім в (1) дістанемо

)()()(

tkF

t

tkttk n

. (4)

Спрямувавши в (4) величину Δt до нуля, отримаємо диференціальне рівняння

першого порядку відносно кривизни k(t):

)()(

tkdt

tdk , (5)

де

nF . Рівняння (5) має розв’язок

yteCtk

)( . Використавши початкову умову

0)0( ktk , отримаєм остаточний вираз для кривизни k(t):

yt

ektk

0)( . (6)

Врахувавши прямопропорційну залежність між характерним розміром –

довжиною b(t) фрагменту шламу і кривизною кромки різця k(t), запишемо

аналогічний (6) вираз для b (t): yt

ekAtb

0)( , (7)

де А – коефіцієнт пропорційності. Потрібно зауважити, що в формулі (7)

значення (t) обчислюються не від початку (t = 0) процесу руйнування індентором

породи, а від моменту відколювання першої частинки шламу.

Розроблена математична модель відображає фізичний процес хвильового

періодично-послідовного відколювання мікро- і макро- частинок, що мають

інваріантну форму і різний розмір, який змінюється в залежності від стану робочої

поверхні індентора. Відколювання частинки шламу зі зменшеними габаритними

розмірами в процесі породоруйнування відбувається новоутвореними сусідніми

кромками на алмазному зерні, про що свідчить зона заглиблення індентора у

частинці шламу, що містить 2 заглиблення на відстані Н між ними (див. рис.3).

Крім верхньої поверхні частинки шламу дослідженню піддавали зворотню

(нижню) поверхню, ідентичну поверхні відриву від масиву гірської породи.

Встановлено, що конфігурація площин відриву 1 – 4, рис. 4, від масиву

гірської породи залежить від фізико-механічних властивостей гірських порід,

незалежно від розміру частинок шламу та типу інструменту. При підвищенні

границі міцності на стискання від 80 МПа до 220 МПа та модуля пружностіі від 18

до 49 ГПа гірських порід, чіткість окресленості площин відриву підвищується (рис.

4 а, б, в), а відношення площ звротної поверхні частинки шламу та її проекції

зменшується від 4,8 до 2,8. При досягненні модуля пружності до 760 ГПа матеріалу,

13

що руйнується, ядро частинки шламу, рис. 4 г, має вигляд з’єднаного з частинкою

шламу об’ємом, що має тотожню конфігурацію з тріщинию передруйнування при

динамічному навантаженні на твердосплавний різець, що руйнує блок оптичного

скла.

Обчислення площі зворотної частини фрагменту шламу дозволяє оцінювати

енергоємність руйнування гірської породи інструментом різного типу.

Е= (Ат +РzT) /2S , (8)

де Е – енергоємність руйнування борозни на вибої гірської породи, Ат – робота сил

тертя, Рz – тангенціальна складова сили руйнування гірської породи одиничним

робочим індентором, Т – період відколювання частинок шламу у борозні (довжина

частинки шламу), S – площа зворотної поверхні частинки шламу.

100 мкм100µm

1

23

4

5

V

µm1

100

а б в г

Рис. 4. Зворотна поверхня частинок шламу, отриманих при руйнуванні: а –

пісковику Теребовлянського родовища циліндричним елементом зі «славутича»; б,

в – граніту Покостівського родовища АВСК (товщина частинок –700 та 170 мкм);

г – білого електрокорунду елементом зі «славутича», V– вектор швидкості частинки

шламу, 1 – ядро, 2, 3, 4, 5 – поверхні відриву від масиву гірської породи

У четвертому розділі досліджено вплив коливання довжини умовних ліній

руйнування (термін, започаткований Александровим В.А.: лінія, ширина якої

визначається діаметром зерна алмазного порошку, а її загальна довжина є

довжиною породоруйнівних елементів в інструменті) у радіальному напрямку торця

бурової коронки на ефективність руйнування гірських порід середньої міцності. У

розділі було розглянуто коронки діаметром 59, 76 і 93 мм з породоруйнівними

елементами циліндричної форми з пласким торцем (діаметром 10 і 6мм) та

призматичними з розмірами торця 2×3; 3×3; 4×3 та 7×3 мм з різними схемами

розміщення їх на короночному торці. Встановлено, що зрівноваження довжини

умовної лінії руйнування у радіальному напрямку короночного торця при розробці

бурових коронок підвищує їх ефективність. Виявлено переваги використання

призматичних елементів зі «славутича» порівняно з циліндричними. Розроблено,

виготовлено та випробувано бурову коронку БК–11 діаметром 93мм з

призматичними елементами з розмірами торця в радіальному напрямку торця

бурової коронки: 3×3, 2×3, 3×4 мм, для виробництва яких було створено

прошивку, для утворення отворів розміром 7×3 мм у графітовій прес-формі для

подальшого спікання в ній елементів зі «славутича». Бурова коронка БК–11

14

проходила породи VI та IX категорій буримості зі швидкістю 3,1 м/год та 1,5 м/год,

відповідно, при незначному випереджаючому зносі центрального елементу, що

сприяє утримуванню площинності вибою.

У п’ятому розділі науково обґрунтовано переваги використання

призматичних елементів зі «славутича» перед циліндричними. З метою дослідження

енергоємності руйнування кутової зони спряження площин керну і вибою

елементами зі «славутича» : циліндричним діаметром 10мм і призматичним з

розміром торця 7×3 мм, було проведено порівняльний аналіз формування тріщин

прердруйнування у блоці оптичного скла БК-8, при однаковому питомому

навантаженні на розроблені спеціальні різці, рис. 5 а, в. Тріщина, утворена

циліндричним елементом, дотичним до площини виступу, формується у блоці на

відстані, рівній радіусу елементу від виступу, а її кінцева частина не доходить до

площини потенційно утворюваного керну 2,4 мм, рис. 5 б д, тобто, змодельована

прикернова зона не руйнується, взагалі. Крім того, у вільний напівпростір, у

протилежну від площини змодельованого керну сторону, спрямована допоміжна

гілка тріщини перед руйнування 2. Під дією навантаження на призматичний

елемент, основна гілка тріщини передруйнування 1 формується на лінії перетину

площин змодельованого вибою та виступу (керну), «підсікаючи» його, (рис. 5 г, е),

сприяючи ефективному руйнуванню кутової зони вибою, а допоміжна гілка 2

утворюється, під індентором, знижуючи енергоємность руйнування вибою.

1

2

11

2 а б в г

Р

2 1

2,4

Р

21

д е

Рис. 5 – Загальний вигляд: а, в – різця з циліндричним та призматичним

породоруйнівними елементами, 1– корпус різця, 2 – елемент зі «славутича»; б, г –

тріщин передруйнування, утворених в результаті дії навантаження на циліндричний

та призматичний елементи у блоці оптичного скла, r – радіус циліндричного

елементу, Р – вектор навантаження, 1, 2 – основна та допоміжна гілки тріщини

передруйнування; д,е – схем статичного навантаження на циліндричний та

призматичний елементи

15

Для обчислення енергоємності руйнування кутової зони вибою (180 Дж/м2),

було застосовано формулу площі чверті поверхні витягнутого еліпсоїда обертання.

В призматичному елементі зі «славутича», алмази 1, при їх зернистості

800/630 мкм та відносній концентрації 100 %, розміщуються у твердосплавній

матриці 2 таким чином, (рис. 6а), що періодичне відколювання одиничних

частинок шламу, може відбуватися тільки одним алмазним зерном, рис. 6 б.

Збільшення відносної концентрації алмазів в елементі до 125 %, рис. 6в, може

забезпечувати відколювання частинки шламу зі спільним ядром, рис.6 г, за участю

двох сусідніх алмазів, що рухаються зі швидкостями V1, V2 , відстань між якими не

перевищує 6 –7 радіусів робочих кромок алмазів. Обчислення площі зворотної

поверхні частинок шламу при застосуванні растрового електронного мікроскопа

ZEISS EVO, дозволяє розраховувати енергоємність руйнуванн породи

породоруйнівним елементом на визначеному радіусі торця бурової коронки.

Виходячи з умови рівності роботи, що повинна витрачається на руйнування

породи елементами зі «славутича» в прикерновій та присвердловинній зонах

бурової коронки за деякий проміжок часу, беручи до уваги геометричні параметри

частинок шламу в пробі з середніми розмірами, було обчислено загальну площу

зворотної поверхні частинок шламу, що відколюються по хвильвому послідовно-

періодичному закону з періодом Т у борознах під зовнішнім та внутрішнім

кільцями короночного торця, та зроблено висновок про виконання зазначеної умови

згідно зі способом визначення працездатності інструменту для руйнування крихких,

пружно-крихких твердих і надтвердих матеріалів.

1

2 100µm

H min

3mm

H

Н 100 µm

а б в г

Рис. 6. Загальний вигляд: а – поверхні елементу зі «славутича» з зернистістю

алмазів 800/630 мкм та їх відносною концентрацією 100 %, 1– алмазні зерна, 2 –

твердосплавна матриця; б – зворотної поверхні частинки шламу товщиною 1100

мкм, відколотого вищевказаним елементом ; в – мікрошліфу елементу зі

«славутича» з відносною концентрацією алмазів 125 %, Н – відстань між

інденторами; г – зворотної поверхні частинки шламу товщиною 1300 мкм,

відколотого елементом з відносною концентрацією алмазів 125%

За результатами виконаних досліджень було розроблено бурову коронку

БК–12, діаметром 93 мм, в якій довжина умовної лінії руйнування гірської породи

елементами зі «славутича» в прикернових елементах збільшено до 56 мм.

16

Коронка містить корпус 1 (рис. 7 а) , елементи зі «славутича» 2 з розміром

торця 7×3 мм, розділені захисними пластинками 3. Породоруйнівні елементи,

розташовані в прикерновій 4, центральній 5 і присвердловинній 6 зонах у

секторах, розділених промивними каналами 7, виконані з різною концентрацію

алмазів: в присвердловинній зоні – в 1,25 рази більшу ніж у прикерновій і в 1,33

рази більшу ніж по вісі короночного торця, як видно на епюрі 8 зміни довжини

умовних ліній руйнування породи у двох послідовно розташованих секторах.

Буріння пісковику VI та IX категорій буримості коронкою БК–12 відбувалось

з механічною швидкістю 3,64 м/год та 1,2 м/год, відповідно.

а б

Рис.7 – Загальний вигляд: а – схеми бурової коронки БК–12, 1– корпус

коронки, 2 – елементи зі «славутича», 3 – захисні пластини, 4, 5, 6 – прикернова,

центральна, присвердловинна зони у секторах, 7 – промивні канали, 8 – епюра

зміни умовних ліній руйнування в радіальному напрямку торця у двох послідовно

розташованих секторах; б – фото коронки

Вимірювання інтенсивності зношування елементів за допомогою пристрою

для дослідження робочої поверхні інструменту свідчать про рівномірне

(відхилення показників не перевищує 20%) зношування присвердловинних і

прикернових елементів при бурінні пісковику IX категорії буримості: 0,18 мм/ м –

у прикерновій, 0,15 мм/м – у присвердловинній, 0,29 мм/м – у центральній зоні

торця. Незначний випереджаючий знос центральних елементів відносно кутових,

дозволяє утримувати площинність вибою.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідницькою роботою, у якій на основі

теоретичного обгрунтування та експериментального дослідження механізму

руйнування міцних крихких гірських порід алмазним інструментом вирішено

актуальну науково-практичну задачу, що полягає у розробці способів управління

процесом руйнування міцних крихких гірських порід алмазами в інструменті з

функціональними елементами із КАМ, шляхом удосконалення їх структури та

конструктивних рішень, пов’язаних з режимними параметрами.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

17

1. Відділено з продуктів руйнування крихкої міцної гірської породи одиничну

частинку шламу твердосплавним, алмазним буровим (коронками, з елементами зі

«славутича», імпрегнованими алмазними буровими коронками, АТП) та

каменеоброблюючим інструментом (АВСК, канатною пилкою) та зроблено

висновок про інварінтність його конфігурації, незалежно від масштабного фактору,

типу інструменту та фізико-механічних властивостей гірських порід.

2. На підставі дослідження зони заглиблення індентору у вибій гірської породи

при статичному та динамічному навантаженнях, визначено, що вона є джерелом

інформації про геометричні параметри одиничного або кількох інденторів.

Визначено, що формування лунки у вибої гірської породи після відколювання

алмазним індентором частинки шламу відбувається на глибину, яка у 3 –10 раз

перевищує подачу на оберт інструменту.

4. На основі залежності між навантаженням на індентор та розмірами частинки

шламу розроблено математичну модель хвильового послідовно-періодичного

відколювання гірської породи в результаті її руйнування окремим індентором.

Розроблено алгоритм оцінювання енергоємності руйнування породи індентором

або інструментом за допомогою обчислення площі зворотної частини фрагменту

шламу.

5. Науково обґрунтовано переваги використання призматичних елементів зі

«славутича» перед циліндричними при оснащенні ними бурових коронок:

внаслідок утворення тріщини передруйнування на перетині площин свердловини

або керну і вибою, знижується енергоємність руйнування кутових зон вибою,

завдяки чому підвищується механічна швидкість буріння більше чим у 10 разів при

порівнянні з аналогічним показником твердосплавного інструменту та

поліпшується якість керну. Розроблено і випробувано бурові коронки діаметром 93

мм з призматичними елементами з різною оснащеністю алмазами та

уніфікованими за формою, що значно знижує трудоємкість виготовлення

інструменту, при руйнуванні яким зносостійкість при проходженні абразивних

гірських порід збільшується у 100 – 200 разів та забезпечується рівномірне

зношування елементів зі «славутича» в радіальному напрямку короночного торця.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах:

Статті у провідних наукових фахових виданнях України:

1. Виноградова Е.П. Инструмент для выполнения отверстий в графитовой

пресс-форме с целью получения призматических вставок из славутича / Е.П.

Виноградова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент-

техника и технология его изготовления и применения: Сб. научн.тр. – К. : ИСМ им.

В.Н. Бакуля НАН Украины, 2005. – Вып. 8. – С. 98–99.

2. Свешников И.А. Экспериментальные исследования влияния зоны

предразрушения на прочность горной породы при резании / И.А. Свешников, А.Л.

Майстренко, С.Д. Заболотный, Е.П. Виноградова // Породоразрушающий и

металлообрабатывающий инструмент –техника и технология его изготовления и

18

применения: Сб. науч. тр.К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2009. – Вып.12.

– С. 98–102.

3. Майстренко А.Л. К вопросу о влиянии взаиморасположения резцов на

энергоемкость разрушения горной породы / А.Л. Майстренко., И.А. Свешников,

С.Д. Заболотный., Е.П. Виноградова // Породоразрушающий и

металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и

применения: Сб. научн.тр. – Вып. 13 – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины,

2010. – С. 192–198.

4. Виноградова Е.П. К вопросу о механизме разрушения горной породы

функциональными элементами из композиционных алмазосодержащих материалов

/ Е.П. Виноградова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент

– техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – К.: ИСМ им.

В. Н. Бакуля НАН Украины, 2011. – Вып. 14. – С. 14–24.

5. Виноградова О.П. Особливості механізму руйнування гірської породи

функціональними елементами з композиційних алмазовмісних матеріалів / О.П.

Виноградова // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ: Зб. наук. пр. –

Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, – 2012. – № 4 (45). – С. 70–79.

6. Виноградова О.П. Формування ядра фрагменту продуктів руйнування

гірських порід алмазним інструментом / О.П. Виноградова // Породоразрушающий

и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и

применения: Сб. научн.тр. – Вып. 16 – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины,

2013. – С. 69–77.

7. Виноградова О.П. Дослідження впливу конструкції алмазовмісних

елементів зі славутича та схеми їх розміщення в бурових коронках на ефективність

руйнування гірських порід середньої міцності / О.П. Виноградова, Р.К. Богданов,

І.А.Свешніков [та ін.] // Породоразрушающий и металлообрабатывающий

инструмент-техника и технология его изготовления и применения: Сб. научн.тр. –

К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2014. – Вып. 17. – С.139–150.

8. Виноградова О.П. Математичне моделювання утворення ціликів гірської

породи при її руйнуванні окремим індентором / О.П.Виноградова, В.А. Дутка, І.А

Свешніков // Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва –

Науково-виробничий журнал: Кременчуцький національний університет імені

Михайла Остроградського. – Кременчук: КрНУ, 2015. – Випуск 15(1). – С.41–53.

(входить до міжнародних наукометричних баз: ВІНГП , Російська академія наук,

«Ulrich’s periodicals directory», «Index Copernicus».

Патенти України:

9. Пат. на винахід 105966 України, МПК G 01N 3/48, E21В 10/46. Спосіб

визначення працездатності інструменту для руйнування крихких, пружно-крихких

твердих і надтвердих матеріалів / Виноградова О.П. (Україна) – Заявл. 19.12. 2012;

опубл. 10.07.14, Бюл. №13. – 4 с.

19

10. Пат. к.м. 10552 України, МПК G01K 5/16. Пристрій для вимірювання

зусиль у зоні різання / Виноградова О.П., Майстренко А. Л., Свешніков І. А.,

Людвиченко П. Г. (Україна); – Заявл. 17.05.05; опубл. 15.11.05, Бюл. № 11. – 3 с.

11. Пат. к.м. 15217 України, МПК G01B 11/30 Пристрій для дослідження

робочої поверхні інструменту / Виноградова О. П., Майстренко А. Л., Свешніков

І. А., Медведєв В. Д., Людвиченко П. Г. (Україна); – Заявл. 28.12.05; опубл.

15.06.06. Бюл. № 6. – 3 с.

12. Пат. к.м. 16737 України. МПК В26В 19/00. Прошивка / Майстренко А. Л.,

Свешніков І. А., Богданов Р. К., Ісонкін О. М., Виноградова О. П., Людвиченко П. Г.

(Україна) – Заявл. 10.03.2006; опубл. 15.08.06, Бюл. № 8. – 3 с.

13. Пат. к.м. 47671 України, МПК Е21В 7/00, Е21В10/00 Алмазна бурова

коронка / Майстренко А. Л., Свешніков І. А., Богданов Р. К., Ісонкін О. М.,

Виноградова О. П., Людвиченко П. Г. (Україна) – Заявл. 05.02.09; опубл. 25.02.10,

Бюл. № 4. – 3 с.

14. Пат. к.м. 47724 України, МПК Е21В 10/48 Алмазна бурова коронка /

Майстренко А. Л., Свешніков І. А., Богданов Р. К., Ісонкін О. М., Виноградова О. П.,

Людвиченко П. Г. (Україна) – Заявл. 17.07.09; опубл. 25.02.10, Бюл. № 4. – 3 с.

15. Пат. к.м. 80154 України, МПК Е21В7/00 Спосіб визначення працездатності

інструменту для руйнування крихких, пружно-крихких твердих і надтвердих

матеріалів / Виноградова О.П. (Україна) – Заявл. 19.12. 2012: опубл. 13.05.2013.

Бюл. №9. – 5 с.

Інші наукові видання України.

16. Свешников И.А. Влияние образования зон предразрушения на снижение

прочности при резании пород / И.А. Свешников, Е.П. Виноградова //

Геотехническая механика: Сб. научн. тр. – Вып. 9 : Днепропетровск, 1998. – С. 62–

63.

17. Обґрунтування використання призматичних композиційних алмазовмісних

породоруйнівних елементів у буровому інструменті / О.П. Виноградова, Р.К.

Богданов, І.А. Свешніков [та ін.] // Інструментальний світ. – К.: ІНМ ім. В.М.

Бакуля НАН України, 2013.– № 3 – 4 (59 – 60). – С. 65 – 69.

Тези доповідей на міжнародних науково-практичних конференціях:

18. Виноградова Е.П. Методика исследования работоспособности

специального инструмента для бурения геологоразведочных скважин в условиях

Донбасса / Е.П. Виноградова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий

инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. научн.тр. –

Вып.4 – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2001. – С. 51–53.

19. Виноградова Е.П. Оптимизация схем вооружения породоразрушающими

элементами бурового инструмента с целью повышения его износостойкости / Е.П.

Виноградова, А.П. Климович, П.Г. Людвиченко // Породоразрушающий и

металлообрабатывающий инструмент-техника и технология его изготовления и

20

применения: Сб. научн.тр. – Вып.5 – Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины,

2002. – С.134–136.

20. Виноградова Е.П. Зона внедрения индентора в блок горной породы при ее

разрушении алмазным інструментом [Електронний ресурс] / Е.П.Виноградова,

Н.В.Зуевская, В.Г. Кравец // Материалы международной конференции “XI Szkola

geomechaniki”. – Gliwice – Ustron (Poland). – 2013. – S. 1–13.

21. Виноградова О.П. Геометричні параметри еталонного фрагменту продуктів

руйнування твердих і надтвердих крихких матеріалів алмазним інструментом //

Наукові нотатки: міжвузівський зб. наук. пр. за галузями знань «Машинобудування

та металообробка», «Інженерна механіка», «Металургія та матеріалознавство». –

Луцьк: ЛНТУ, – 2013. – Вип.41, частина 1. – С. 45–52.

АНОТАЦІЯ

Виноградова О.П. Руйнування гірських порід інструментом з

функціональними елементами із композиційних алмазовмісних матеріалів. –

на правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за

спеціaльністю 05.15.09 – геотехнічна і гірнича механіка. – Національний технічний

університет України «Київський політехнічний інститут» МОН України, Київ, 2015.

Дослідження присвячено вивченню закономірностей руйнування гірських

порід середньої міцності породоруйнівним інструментом. В роботі розлянуто

відібрану з маси суспензіії шламу і охолоджувальної рідини одиничну частинку

шламу, вивчення геометричних параметрів якої, дозволяє відтворити механізм

взаємодії індентора з масивом гірської породи в процесі його руйнування.

Запропоновано математичну модель хвильового послідовно-періодичного

відколювання частинок шламу від масиву гірської породи. Розроблено спосіб

визначення працездатності алмазного інструменту для руйнування крихких

твердих матеріалів. Розроблено алгоритм розрахунку енергоємності процесу

руйнування гірської породи окремим індентором за допомогою обчислення площі

зворотної частини фрагменту шламу.

Досліджено вплив коливання довжини умовної лінії руйнування гірської

породи врадіальному напрямку торця коронки на ефективність її застосування.

Обґрунтовано переваги використання призматичних елементів із КАМ перед

циліндричними, що застосовуються нині в буровому інструменті, в результаті

дослідження розповсюдження тріщини передруйнування в кутовій зоні спряження

площин вибою та керну. Розроблено та випробувано бурові коронки, з

породоруйнівними елементами з різною оснащеністю в радіальному напрямку

короночного торця та уніфікованих за формою, що значно зменшує трудоємкість

виробнтцтва інструменту, зносостійкість якого вище у 100 – 200 разів зносостійкості

твердосплавного інструменту.

Ключові слова: одинична частинка шламу, надтвердий композиційний

алмазовмісний матеріал «славутич», тріщина передруйнування, бурова коронка,

концентрація алмазів, енергоємність руйнування.

21

АННОТАЦИЯ

Виноградова Е.П. Разрушение горных пород инструментом с

функциональными элементами из композиционных алмазосодержащих

материалов . – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по

специальности 05.15.09 – геотехническая и горная механика. – Национальный

технический университет Украины «Киевский политехнический институт» МОН

Украины, Киев, 2015.

Исследование посвящено изучению закономерностей разрушения горных

пород средней крепости инструментом с функциональными элементами из

композиционных алмазосодержащих материалов (КАМ). В работе подвергается

микроскопическому исследованию изъятая из массы суспензии продуктов

разрушения горной породы и охлаждающей жидкости единичная частица шлама,

изучение геометрических параметров которой позволяет воспроизвести механизм

взаимодействия единичного индентора с забоем.

Рассморены пробы большого количества продуктов разрушения песчаника

Теребовлянского месторождения твердосплавным резцом, служащим моделью

единичного индентора, песчаника Торезского месторождения алмазно-

твердосплавной пластиной, породоразрушающим элементом из композиционного

алмазосодержащего материала «славутич», коронкой с функциональными

элементами из «славутича»; гранита Коростышевского месторождения алмазной

импрегнированной буровой коронкой, гранита Емельяновского и Покостовского

месторождений алмазным отрезным сегментным кругом, гранита Капустинского

месторождения канатной пилой. На основании проведенных исследований сделан

вывод о том, что несмотря на различие физико-механических свойств хрупких

твердых горных пород, частицы шлама, полученные при воздействии на массив

инденторов различных типов и различие размеров частиц (от нескольких

микрометров до нескольких десятков миллиметров) имеют подобную

конфигурацию, которая является следствием сложного напряженно-

деформированного состояния под индентором в момент откалывания частиц шлама.

На основании взаимозависимости между степенью изнашивания рабочей

кромки индентора и размерами частицы шлама горной породы разработана

математическая модель волнового, последовательно-периодического выкалывания

частиц шлама от массива горной породы. Разработан способ определения

работоспособности алмазного инструмента для разрушения хрупких твердых

материалов, основанный на микроскопическом исследовании геометрических

параметров частиц шлама в пробе. Детально изучена зона внедрения индентора в

массив горной породы, запечатленная на поверхности частицы шлама,

позволяющая определять количество инденторов, произведщих микроудар о забой

горной породы (острая кромка, соседние кромки алмаза или соседние алмазы в

призматическом элементе из «славутича» с различной относительной

концентрацией алмазов). Исследована обратная поверхность частицы шлама.

Разработан алгоритм оценки энергоемкости разрушения горной породы отдельным

22

индентором или инструментом с помощью расчета площади обратной поверхности

частицы шлама.Установлено влияние изменения длины условной линии разрушения

горной породы в радиальном направлении торца буровой коронки на эффективность

разрушения горной породы, а также, на основании исследования интенсивности и

направленности распространения трещин предразрушения в угловой зоне

сопряжения плоскостей забоя и керна в блоке оптического стекла БК-8 с уступом,

моделирующего горные породы, в результате статического нагружения индентора,

научно обоснована целесообразность использования призматических элементов из

КАМ в буровом инструменте. В результате вышеизложенных исследований

разработаны, изготовлены и испытаны буровые коронки с призматическими

элементами из КАМ с различной оснащенностью алмазами в радиальном

направлении короночного торца, унифицированными по форме, что значительно

снижает трудоемкость изготовления инструмента, эффективно разрушающего

горные породы VI – IX категорий буримости, износостойкость которых в 100 – 200

раз превышает износостойкость твердосплавного инструмента.

Ключевые слова: частица шлама, композиционный алмазосодержащий

материал «славутич», буровая коронка, трещина предразрушения, концентрация

алмазов, энергоемкость разрушения.

ABSTRACT

Vinogradovа E.P. Destruction of rocks by the tool with functional elements

from composite diamond - bearing materials. – Manuscript.

Dissertation for the degree of сandidate of technical sciences the specialty

05.15.09 – Geotechnical and mining mechanics. – National Technical University of

Ukraine Kyiv Polytechnic Institute «KPI», Kyiv, 2015.

Research is devoted to the study of patterns of destruction of rocks of medium

strength by the tool with functional elements from the diamond composite materials

(KAM). In the thesis the reference fragment of drilled solids, which was selected from

suspension mass of the destruction products and the coolant is considered in order to

study geometrical parameters of fragment of drilled solids, what allows to reproduce the

mechanism of interaction of the indenter (a diamond grain) and a rock mass during of its

destruction. A mathematical model of sequential spalling of individual fragments of drilled

solids of the rock mass was offered. The method for assessing the performance of

diamond tools for the destruction of brittle hard materials was developed. The area of the

back of the fragment of drilled solids was calculated, whereby became possible to

evaluate the energy consumption of the process of breaking of a rock. The influence of

the change of the length of a conditional line breaking rock in the radial direction of the

bit face on the destruction efficiency was studied. The expediency of the use of prismatic

elements of the benches in the drilling tool is grounded. Developed and tested drill bits that

destroy rocks of medium strength with high efficiency.

Keywords: drilled solids, particle size of the drilled solids, composite diamond-

bearing material «slavutich», drill bit, diamond concentration, the efficiency of destruction

of rocks.

23

Виноградова Олена Петрівна

РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД ІНСТРУМЕНТОМ З ФУНКЦІОНАЛЬНИМИ

ЕЛЕМЕНТАМИ ІЗ КОМПОЗИЦІЙНИХ АЛМАЗОВМІСНИХ МАТЕРІАЛІВ

(Автореферат)

Підписано до друку 26.11.2015. Формат 60х90/16.

Папір офсет. Ризографія. Ум. друк. арк. 0,9.

Обл.-вид. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. №

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

03056, м. Київ, просп. Перемоги,37

24