Выбуривание каменных оболочек коаксиальными колонковыми наборами

Егоров, Дмитрий Геннадьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Выбуривание каменных оболочек коаксиальными колонковыми наборами
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Выбуривание каменных оболочек коаксиальными колонковыми наборами"

! ЪгТряьпвй

На правах рукописи

ЕГОРОВ Дмитрий Геннадиевич

ВЫБУРИВАНИЕ КАМЕННЫХ ОБОЛОЧЕК КОАКСИАЛЬНЫМИ КОЛОНКОВЫМИ НАБОРАМИ

Специальность 25.00.15 - Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова (технического университета).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский институт бумажного машиностроения (ЦНИИБумМаш)

Защита диссертации состоится 29 декабря 2005 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкг-Пегербург, 21-я линия, д.2, ауд.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 29 ноября 2005 г.

Онищин Владислав Петрович

Гореликов Владимир Георгиевич

кандидат технических наук

Прокопенко Виталий Сергеевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета д.т.н., профессор

Н.И.НИКОЛАЕВ

11Ш5!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Природный камень как строительный и декоративный материал широко применяется с древних веков и до наших дней, являясь символом долговечности, стабильности и престижа. Жилища и крепости, замки и храмы, мостовые и пирамиды, статуи и барельефы - все это постройки из камня.

За счет высоких показателей по морозостойкости, истираемости и водопоглощению камень имеет повышенную устойчивость к влиянию механических и физических факторов.

Продукция из камня цилиндрической формы широко используется в технических и строительных целях.

Многие виды промышленности, такие как текстильная, лакокрасочная, химическая, пищевая, бумагоделательная в своем производстве широко используют технические изделия из камня, которые, как правило, изготавливаются из высокопрочных горных пород. Так, например, широко используются такие цилиндрические части механизмов, как мукомольные жернова, катки для дробления известкового камня, вальцы для измельчения минеральных красителей в лакокрасочном, фаянсовом, текстильном и химическом производстве, подовые камни, прессовые валы бумагоделательных машин для удаления влаги из бумажного полотна и многое другое.

Большое распространение цилиндрические изделия из камня находят в градостроительстве и архитектуре. В метро, парках, скверах и на площадях используют декоративные элементы, содержащие чаши, вазы, шары, полушария, осветительные столбы.

Каменные колонны, как части архитектурных композиций, используются в строительстве зданий и оформления интерьеров помещений.

Традиционный способ изготовления цилиндрических изделий из камня отличается большой сложностью, значительными энергозатратами и расходами каменного сырья г, .использованием

РОС НАЦИОНАЛАМАЯ БИБЛИОТЕКА

социально вредного тяжелого и малопроизводительного ручного труда

Сократить негативные последствия ручного труда позволяет выбуривание из блоков камня или непосредственно из массива горных пород цилиндрических изделий в виде монолитных заготовок или цилиндрических оболочек.

Выбуривание продукции из камня по мере развития и совершенствования может быть использовано как способ отработки месторождений камня наряду с блочным отколом.

Исследованием проблем выбуривания цилиндрических изделий из камня в разное время занимались следующие специалисты: И.Н. Андрианов, А.Г. Андреев, И.С. Афанасьев, Н.Т. Бак-ка, Ю.Е. Будюков, С.Г. Волосюк, Ю.Г. Карасев, А.И Колсанов, НИ. Корнилов, А.И. Кукес, Е.П. Морозик, Ю.Д. Мураев, В.П. Оншцин, Ю.А. Оношко, А.И. Осецкий, Ю.М. Поздняков, В.И. Сазыкин, В.И. Сидорко, В.В. Скрябин, И.Г. Шелковников и другие.

Целью диссертационной работы является разработка технических средств и технологии выбуривания цилиндрических оболочек из камня коаксиальными колонковыми наборами в целях сокращения расхода невосполнимого природного сырья при их производстве.

Идея работы заключается в использовании коаксиальных колонковых наборов для выбуривания не одной, а нескольких (2-х и более) оболочек из камня одним рейсом.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование гидравлических характеристик коаксиальных колонковых наборов;

• исследование мощности при выбуривании в зависимости от вида каменного сырья и режимов бурения;

• исследование возможности отделения выбуренных оболочек от массива горных пород путем их подрезки через внутреннюю поверхность;

• разработка экспериментального стенда и макетного образца коаксиального колонкового набора;

• определение качества выбуриваемых оболочек, таких как чистота наружной поверхности, прямолинейность и разно-стенность в зависимости от вида каменного сырья и режимов выбуривания.

Методика исследований включала в себя комплекс теоретических исследований, экспериментальных работ и стендовых испытаний коаксиальных колонковых наборов. Экспериментальные данные обрабатывались на ПК с помощью современного программного обеспечения на основе известных закономерностей буровой и гидравлической механики и вновь установленных факторов.

Защищаемые научные положения:

1. При эксплуатации коаксиальных колонковых наборов для своевременного удаления продуктов разрушения породы необходимо разделение входящего потока промывочной жидкости на параллельные потоки, направляемые отдельно под каждый по-родоразрушающий инструмент с возможностью последующего объединения их на выходе.

2. Из параметров режимов выбуривания наибольшее влияние на чистоту наружной поверхности оболочек оказывает частота вращения бурового инструмента (линейная скорость внутренних подрезных алмазов), а на разностенность и прямолинейность - наличие кольцевых центраторов между колонковыми трубами.

3. Отделение от массива горных пород выбуренных оболочек возможно осуществлять через их внутреннюю поверхность раздвижными резцами, поверхность которых выполнена по логарифмической спирали, в целях создания инвариантных напряжений резания, обеспечивающих сохранность образца, и предупреждения аномального износа режущей поверхности.

Основные научные результаты, полученные лично автором:

• обоснована целесообразность параллельной схемы циркуляции во входящих и исходящих потоках промывочной жидкости для раздельной очистки забоев при бурении коаксиальными колонковыми наборами;

• составлены уравнения для определения потерь напора в коаксиальных колонковых наборах в зависимости от их конструктивных особенностей;

• определены мощности при выбуривании оболочек из различных видов каменного сырья;

• теоретически обоснована рациональная форма поверхности резцов для подрезки выбуренных оболочек, обеспечивающая их сохранность и исключающая появление аномального износа режущей кромки;

• установлены зависимости технического качества выбуриваемых оболочек от режимов бурения и вида каменного сырья;

Научная новизна работы заключается в разработке методики расчета гидравлических сопротивлений коаксиальных колонковых наборов, мощности при выбуривании и теоретического обоснования равнопрочной формы резцов для отделения выбуренных оболочек от массива горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.

Практическая значимость работы заключается в определении удельных значений параметров режимов выбуриваниия, позволяющая использовать эти данные для выбора параметров выбуривания крупногабаритных изделий. Предлагаемый метод выбуривания позволяет в 2-3 раза сократить количество потребляемого каменного сырья и уменьшить отходы производства.

Апробация работы. Основные положения, результаты исследований, выводы и рекомендации докладывались на Ш-ей

Международной научно-технической конференции НГУ "Эп-штейновские чтения" (Украина, Днепропетровск, 2004.); на Международной научно-технической конференции "Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера", посвященной 75-летию АГТУ-АЛТИ (Архангельск, 2004.); на VTI-й Международной конференции МГГРУ "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2005.); на Международной конференции ИСМ им. В. И. Бакуля (Украина, Киев, 2004, 2005.); на VIII Международном симпозиуме им. академика М.А. Усова (Томск 2004.); на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005.); на заседаниях кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликованы восемь печатных работ, оформлена заявка на патент РФ.

Структура и объем и диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 78 наименований. Материал диссертации изложен на 149 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц, 48 рисунков и 10 приложений.

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, задачи, идея работы, излагаются основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлены основные области применения цилиндрических изделий из камня, дан обзор существующих способов их изготовления, приведены технические требования к продукции, получаемой методом выбуривания, и буровому инструменту.

Во второй главе представлены теоретические исследования гидравлических характеристик коаксиальных колонковых наборов, дана формула для определения мощности при выбуривании коаксиальными колонковыми наборами, обоснована воз-

можность отделения выбуренных оболочек от массива горной породы резцами равнопрочного профиля, имеющими форму логарифмической спирали.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования чистоты наружной поверхности, прямолинейности и раз-ностенности выбуриваемых оболочек в зависимости от режимов выбуривания и видов каменного сырья, исследованы затраты мощности при выбуривании как коаксиальным, так и одинарными колонковыми наборами.

В четвертой главе изложены технико-экономические преимущества при отработке месторождений камня методом выбуривания, даны рекомендации по технологии выбуривания промышленной продукции из блоков камня и непосредственно на карьерах.

Основные выводы и рекомендации отражают обобщенные результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На основании проведенных исследований сформулированы следующие защищаемые научные положения:

1, При эксплуатации коаксиальных колонковых наборов для своевременного удаления продуктов разрушения породы необходимо разделение входящего потока промывочной жидкости на параллельные потоки, направляемые отдельно под каждый породоразрушающий инструмент с возможностью последующего объединения их на выходе.

Схема потоков промывочной жидкости в экспериментальном образце трехтрубного коаксиального набора НКК-3(132) показана на рис. 1.

Гидравлическая система такого набора представляет собой сложный трубопровод с параллельными входящими и исходящими потоками промывочной жидкости, движущейся по спе-

циально выполненным круглым каналам переходника, кольцевым зазорам между выбуриваемыми оболочками и колонковыми трубам, по промывочным каналам алмазных коронок.

—«садящие потеки —» иоюджцие потоки

Рис. 1. Схема потоков промывочной жидкости в трехтрубном коаксиальном колонковом наборе: 1 - переходник; 2, 3, 4 -первая, вторая и третья колонковые трубы; 5, б, 7 - первая, вторая и третья алмазные коронки соответственно, 8 - блок камня; 9 ~ керн; 10, 11 средняя и наружная оболочки.

Используя выражение М. Гийона для потерь напора в трубах с турбулентным течением, запишем:

Ö2

&}> =

?2 '

О)

где 4 - коэффициент сопротивления арматуры; Ь - длина трубы; О - диаметр; р - плотность жидкости; Л - коэффициент трения (Я = 0.025 при Не >2300); <2 - объемный расход; 5 -площадь канала.

Тогда в нашем случае общие потери напора в коаксиальных колонковых наборах АРНКК при постоянном расходе Q = const и полном заполнении колонковых труб выбуренной породой определятся как сумма потерь напора в переходнике, колонковых трубах и алмазных коронках:

' 1 1

ЬРнКК ~

1£ + X£L 1 1

&ВХ ^ИСХ J

2 $вх{исх)

Я--+ кп, (2)

где т - число каналов переходника; п - число колонковых труб; Овх, Оисх - соответственно средний диаметр входящих и исходящих кольцевых каналов колонковой трубы; к - потери напора в алмазной коронке ( к = 0,1+0,15 МПа); Явх, Бисх -суммарная площадь входящих и исходящих кольцевых каналов коаксиального колонкового набора.

Расход промывочной жидкости во входящем потоке каждой колонковой должен распределяться пропорционально площади забоя разрушенной породы:

= (3)

где 61 > 02 > 6з - соответственно расход промывочной жидкости, подаваемой в первую, вторую и третью колонковые трубы при условии 6-61+62+63 и нумерации их от центра к периферии; , , 53 - соответственно площади забоя или поперечного сечения матрицы первой, второй и третьей алмазных коронок.

Указанное условие достигается установкой на внутреннем торце переходника дроссельных клапанов (на рис. 1. не обозначены), коэффициенты сопротивления которых учтены в первом слагаемом формулы (2).

При определении площади кольцевых каналов имеет значение количество (четное, нечетное) колонковых труб в коаксиальном наборе.

Для входящих потоков с нечетным количеством колонковых труб в каждой нечетной трубе площадь канала определяется через разность квадратов наружных диаметров коронки и трубы; при четном количестве колонковых труб определение сечения кольцевых каналов осуществляется в обратном порядке.

Циркуляция промывочной жидкости должна быть прямой.

2. Из параметров режимов выбуривания наибольшее влияние на чистоту наружной поверхности оболочек оказывает частота вращения бурового инструмента (линейная скорость внутренних подрезных алмазов), а на разностей-ность и прямолинейность — наличие кольцевых центраторов между колонковыми трубами.

Для выбуривания цилиндрических оболочек из камня был разработан экспериментальный стенд на базе станка ЗИФ-650М с плавно регулируемым приводом, рис. 2.

Габаритные размеры колонковых труб и алмазных коронок в экспериментальном коаксиальном колонковом наборе НКК-3(132) приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Номер трубы (рис. 1) Колонковая труба Коронка

Диаметр, мм Длина Ь, мм Диаметр, мм

нар., £> ВН., нар., В ВН., (1

2 44 Ъ1 390 46 31

3 89 79 430 93 73

4 127 117 460 132 108

Параметры режимов выбуривания при проведении экспериментальных работ были следующими: гранит - осевая нагрузка Р = 3000 * 4000 даН, частота вращения и = 400 -г- 600 об/мин; мрамор - /> = 150-^-450 даН, я = 25-И 25 об/мин. Не выявлено существенного влияния расхода промывочной жидкости (технической воды) на качественные параметры выбуриваемых оболочек, в связи с чем <2 = 70 л/мин было принято во всех проводимых экспериментах.

Рис. 2. Схема экспериментального стенда: 1-итиндель; 2-вращатель; 3-буровой станок ЗИФ-650М; 4-ведущая труба; 5-электродвиателъ; б-бурильная труба; 7-ниппель; 8-переходник; 9-колонковые трубы; 10-металлический контейнер; Л-блок камня; 12-винтовые домкраты; 13-коронки; 14-кольца-центраторы; 15-пульт управления; 16-датчик оборотов; 17-датчик нагрузки; 18-киловаттметр; 19-шкаф управления; 20-датчик расхода промывочной жидкости; 21-буровой насос; 22-зумпф.

В процессе проведения экспериментальных исследований было пробурено 18 п.м. горных пород: по мрамору 9, по граниту 4, по бетону 5 п.м. На рис 3. показаны оболочки и керн, полученные путем выбуривания коаксиальным колонковым набором НКК-3(132) из гранитного блока.

та'-'

1/Ж

Рис. 3. Цилиндрические изделия из гранита, полученные выбуриванием: 1-наружная оболочка, 2-средняя оболочка, 3-керн.

Данные по бетону не приведены в связи с нестабильностью прочностных характеристик бетонных блоков.

Измерение прямолинейности выбуренных оболочек и кернов проводилось в соответствии с ГОСТ 9479 путем определения величины отклонения образующей в мм на метр длины.

Разностенность оболочек Д5 определялась как разность

максимального 5 и минимального 5 , значений толщины

Ш8Х ШШ

стенки в одной плоскости поперечного сечения.

Чистота поверхности (определяемая высотой микронеровностей Яг) измерялась с помощью методики, применяемой в металлообработке, при помощи двойного микроскопа МИС-11 проф. Линника. По высоте микронеровностей устанавливался класс чистоты поверхности выбуренных образцов.

Результаты измерения прямолинейности и разностенности оболочек из мрамора и гранита приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Прямолинейность, мм/м Разностенность, мм

Порода Выбуривание

без с без с

центратора центратором центратора центратором

Мрамор 1,39-3,65 1,14-2,17 до 0,95 до 0,7

Гранит 1,12-1,8 1,00-1,15 до 0,2 до 0,05

Применение кольцевых центраторов позволило снизить разностенность выбуриваемых оболочек из мрамора на 26%, из гранита на 22% и повысить прямолинейность на 18-40% и 1136% соответственно.

Отмечено, что величина Rz в значительной степени зависит от линейной скорости внутренних подрезных алмазов Ушн,

непосредственно формирующих поверхность. Зависимость высоты микронеровностей оболочек из гранита и мрамора, от линейной скорости внутренних подрезных алмазов показана на рис. 4. и рис. 5.

По результатам экспериментальных исследований определены удельные значения параметров режимов выбуривания, которые могут быть использованы для определения необходимых режимов выбуривания крупногабаритных цилиндрических оболочек из мрамора и гранита алмазным породоразрушающим инструментом.

Наиболее рациональные значения удельных нагрузок для гранита 88-95 даН/см2, для мрамора 8-11 даН/см2, а линейная скорость составляет соответственно 0,8-1,9 м/с и 0,2-0,4 м/с. Указанные значения позволяют получать поверхность оболочек до V класса чистоты с высотой микронеровностей 10-20 мкм.

Hz, мкм

3 3,5

Улин, м/с

Рис. 4. Зависимость высоты микронеровностей оболочек из гранита от линейной скорости внутренних подретых алмазов: 1-Р = 3000 даН; 2-Р = 3500 даН; 3-Р = 4000 даН.

0,6 0,8 V/лин, м/с

Рис. 5. Зависимость высоты микронеровностей оболочек из мрамора от линейной скорости внутренних подрезных алмазов при различных значениях осевой нагрузки: 1-Р = 150 даН; 2-Р = 225 даН; 3-Р = 300 даН; 4-Р = 375 даН; 5-Р = 450 даН.

3. Отделение от массива горных пород выбуренных оболочек возможно осуществлять через их внутреннюю поверхность раздвижными резцами, поверхность которых, армированная алмазами, выполнена по логарифмической спирали в целях создания инвариантных напряжений резания, обеспечивающих сохранность образца, и предупреждения аномального износа режущей поверхности.

Одним из обстоятельств, существенно сдерживающих внедрение на каменных карьерах способа отработки месторождений путем выбуривания валов и оболочек, является трудность их отделения от массива

Схема устройства, позволяющего осуществлять подобную операцию с помощью плоских резцов, дана на рис. 6.

Рис. 6. Схема подрезного устройства для отделения выбуренных оболочек от массива горных пород: 1-енутреняя поверхность оболочки; 2-резец; 3-ось резца; 4-алмазосодержащая матрица; 5-металлический диск; 6-прижгшная пружина; 7-массив горной породы; а-угловая константа резца; ср -угол между текущим радиусом и касательной в точке.

1 2 3*5

6 7

Во внутреннюю поверхность оболочки 1 на бурильной трубе (на схеме не показана) спускается металлический диск 5 и устанавливается напротив предполагаемой плоскости реза. На верхней поверхности диска на осях 3 установлены плоские резцы 2, режущая часть которых содержит импрегнированную алмазосодержащую матрицу 4. Прижатие резцов к внутренней поверхности оболочки осуществляется за счет пружины кручения 6. При вращении диска осуществляется подрезка оболочки и ее отделение от массива горной породы 7.

Изготовление резцов с формой поверхности, позволяющей обеспечить не только минимальную энергоемкость процесса подрезки, но и не разрушить в момент подрезки тонкостенную оболочку, избегая при этом аномального износа режущей поверхности, возможно, если касательные напряжения на поверхности реза будут инвариантными. Наружная поверхность такого резца будет описываться логарифмической спиралью вида:

г = а • ес*&а <р, (4)

где а - угол между текущим радиусом и касательной в точке на поверхности резца (угловая константой резца), а = г'иу; а - расстояние от оси вращения резца до точки касания с породой перед началом резания; г - текущий радиус-вектор; (р - угол

между текущим радиусом и отрезком ОА.

Угол (3 между текущим радиусом-вектором ОИ и осью ОХ необходим для определения длины дуги АЫ, армирование алмазами которой нецелесообразно ввиду того, что эта часть резца в работе резания не участвует. Угол ¡3 зависит от угловой константы резца.

Проведенные расчеты показали, что наиболее рациональным значением угловой константы резца а является значение, близкое к 80°. Так, при а = 80° длина дуги СУ на 14,5% меньше, чем при а = 70°, на 24% меньше, чем при а = 60° и на 27,1% меньше, чем при а = 50°. Величина угла (3 при этом составляет

»19,75°.

Определение геометрии резцов, необходимых для подрезки выбуренных оболочек с заданным диаметром внутренней поверхности, осуществляется масштабированием параметров эталонного резца, построенного в компьютерной программе "КОМПАС 3D 5.11." при а = 10 и а = 80°.

Заключение

Проведенные теоретические исследования и экспериментальные работы позволили сделать следующие выводы:

1. Исследованы гидравлические характеристики коаксиальных колонковых наборов при прямоточной циркуляции промывочной жидкости с разделением входящего потока на несколько параллельных потоков для обеспечения более эффективного удаления продуктов разрушения.

2. Составлено уравнение потерь напора промывочной жидкости в коаксиальном колонковом наборе, даны рекомендации по их расчету в зависимости от количества колонковых труб.

3. Проведены теоретические исследования мощности при выбуривании коаксиальными колонковыми наборами, дана формула для ее расчета.

4. Рассмотрены различные схемы подрезки выбуренных оболочек в массиве горных пород, сделан вывод о возможности подрезки оболочек резцами с равнопрочным профилем, имеющими вид логарифмической спирали.

5. При помощи чертежной программы "КОМПАС 3D 5.11." определены параметры резцов и толщин подрезаемых оболочек. Сделан вывод о целесообразности подрезки тонкостенных оболочек резцами с равнопрочной поверхностью, имеющей форму логарифмической спирали с угловой константой а близкой к 80°, что позволяет на 14,5-27,1% уменьшить длину поверхности, армируемой алмазами, по сравнению с резцами, имеющими другие значения угловой константы.

6. Разработан экспериментальный стенд для выбуривания цилиндрических оболочек из камня, изготовлен макетный обра-

зец коаксиального колонкового набора НКК-3(132) и полный комплект конструкторской документации.

7. Проведены экспериментальные исследования по выбуриванию оболочек из мрамора и гранита. Определены зависимости чистоты наружной поверхности, прямолинейности и разно-стенности оболочек от режимов выбуривания и видов каменного сырья. Установлена возможность получения оболочек с высокой (до V класса) чистотой наружной поверхности, незначительной разностенностью и высокой прямолинейностью.

8. Коаксиальное выбуривание оболочек позволяет увеличить выход готовой продукции до 48% и сократить количество каменного сырья в 2,5-3 раза по сравнению с традиционным способом их изготовления.

Содержание диссертации отражено в следующих печатных работах;

1. Егоров Д.Г. Результаты экспериментальных исследований по выбуриванию цилиндрических оболочек из камня // Науковий Вкник. Научно-технический журнал. - Днепропетровск: НГУ, 2004. - С. 59-61.

2. Егоров Д.Г. Производство валов и каменных оболочек способом выбуривания для строительных работ / Д.Г. Егоров,

B.П. Онищин // Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера, т. 2. Сб. научных трудов. - Архангельск: АЛТИ-АГТУ, 2004. - С.73-75.

3. Егоров Д.Г. Экспериментальные исследования возможности коаксиального выбуривания цилиндрических изделий из камня / Д.Г. Егоров, В.П. Онищин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: УГГА, 2004. - С.31-35.

4. Егоров Д.Г. Изготовление цилиндрических изделий из камня на карьерах методом выбуривания // Народное хозяйство республики Коми, т. 14. №1. - Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2005.

C.209-212.

5. Егоров Д Г. Получение высококачественных оболочек из камня методом коаксиального алмазного выбуривания // По-родоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент, техника и технология его изготовления и применения. Сб. научных трудов ИСМ им В.И. Бакуля. - Киев: ИЦП Алкон НАНУ, 2004. №7. -С. 84-86.

6. Онищин В.П. Совершенствование технологии производства цилиндрических изделий из камня методом выбуривания / В.П. Онищин, Д.Г. Егоров, А.К. ХамидуллиН // Горный журнал. - Москва: Руда и металлы, 2005. №8. - С. 52-53.

7. Егоров Д.Г. Экспериментальное выбуривание валов и каменных оболочек, применяемых в промышленности // Новые идеи в науках о земле. Сб. докладов VII Международной конференции, т. 3. - Москва: МГГРУ, 2005. - С 113-114.

8. Егоров Д.Г. Экспериментальное выбуривание цилиндрических оболочек из камня коаксиальными колонковыми трубами // Проблемы геологии и освоения недр. Сб. научных трудов VIII Международного симпозиума им. академика М.А Усова. -Томск: ТПУ, 2004. - С. 544-545.

РИЦ СПГТИ 28.11 2005. 3.512. Т 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

»225 65 g

РНБ Русский фонд

2006-4 28117

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Егоров, Дмитрий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАМНЯ.

1.1. Использование цилиндрических изделий из камня.

1.2. Способы получения цилиндрических изделий из камня, их достоинства и недостатки.

1.3. Технические требования к буровому инструменту и продукции, получаемой методом выбуривания.

Выводы по главе 1.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Исследование гидравлических характеристик коаксиальных колонковых наборов.

2.2. Особенности расчета мощности при работе коаксиальных колонковых наборов.

2.3. Подрезка выбуренных каменных оболочек резцами равнопрочного профиля.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ОБОЛОЧЕК И ТЕХНОЛОГИИ РАБОТ ПО ИХ ВЫБУРИВАНИЮ.

3.1. Экспериментальный стенд и конструктивные особенности коаксиальных колонковых наборов.

3.1.1. Экспериментальный стенд.

3.1.2. Коаксиальный колонковый набор НКК-3.

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.2.1. Разработка режимов для коаксиального алмазного выбуривания.

3.2.2. Последовательность операций при выбуривании оболочек.

3.2.3. Исследование качества выбуриваемых оболочек.

1Г1Ч/ 1.ХЖ 1лрп ЛJX*Ж.\JJ ^хшинхш экспериментальных данных.,. жспериментальных исследований. ние чистоты наружной поверхности, прямолинейности оболочек в зависимости от режимов выбуривания и вщ ние мощности при бурении коаксиальным колонков]

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Выбуривание каменных оболочек коаксиальными колонковыми наборами"

Актуальность работы. Природный камень как строительный и декоративный материал широко применяется с древних веков и до наших дней, являясь символом долговечности, стабильности и престижа. Сооружения и изделия из камня проходят через всю историю цивилизации, донося до нас частицы жизни минувших поколений. Жилища и крепости, замки и храмы, мостовые и пирамиды, статуи и барельефы - все это постройки из камня.

Природный камень всегда использовался как строительный и отделочный материал благодаря своим уникальным свойствам - прочности, долговечности, стойкости к воздействиям окружающей среды [77]. За счет высоких показателей по морозостойкости, истираемости и водопоглощению камень имеет повышенную устойчивость к влиянию механических и физических факторов. Этот материал способен длительное время сопротивляться атмосферным воздействиям, сохраняя при этом первоначальные свойства и внешний вид.

Первые признаки разрушения мягких пород камня [64, 7] (известняки, цветные мраморы, гипс и туф) проявляются только через 25-50 лет; твердые породы (граниты, габбро, лабрадориты) остаются неизменными на протяжении многих веков. Во внутренней отделке зданий и сооружений, где поддерживаются относительно постоянные значения температуры и влажности, камень служит еще дольше. Долговечность также зависит от вида обработки поверхности камня [6, 8, 47, 66]. Особенно усиливает ее полированная фактура, так как на такой поверхности не задерживаются агрессивные вещества.

Ни один другой материал не имеет такого разнообразия структуры, цвета, узора. Каждый кусок камня имеет свою неповторимую индивидуальность, а при умелой обработке может стать настоящим произведением искусства. Камнем отделывают внешние и внутренние стены зданий, полы, ступени, колонны, камины. Из него изготавливают различные детали интерьера подоконники, плинтуса, перила, балясины, столешницы для мебели, мозаичные панно.

Современное камнеобрабатывающее оборудование позволяет создать из камня изделия любой сложности и конфигурации. Сегодня рынок предлагает большое количество искусственных и синтетических материалов, однако никакая синтетика не заменит прочный, долговечный с неповторимыми природными узорами каменный материал.

Россия и государства СНГ по запасам ценного природного камня, его разнообразию и декоративным свойствам занимают доминирующее положение в мире.

По состоянию на 1990 г. балансом запасов природных камней в нашей стране учтено более четырехсот месторождений [5]. Каменное сырье представлено породами различного генетического типа, но больше всего разведано месторождений мрамора и гранита. Новые месторождения выявляются и разведаются не только в таких традиционных районах, как Урал, Украина, Карелия, но и в Забайкалье, Приморье, Западной Сибири, Узбекистане, Киргизии, Казахстане.

В последнее время достигнуты большие успехи в разведке новых месторождений природного камня, росте добычи блоков и их переработке на облицовочные и архитектурно-строительные изделия. Ежегодно в стране добывается более 0,8 млн. м3 облицовочной и архитектурно-строительной продукции. Камнедобывающая и камнеобрабатывающая отрасли промышленности развиваются высокими темпами.

В настоящее время потребность народного хозяйства в продукции и архитектурных изделиях из природного камня удовлетворяется лишь на 3040%, а в продукции из высокопрочных пород всего на 10-12% [34]. За последние годы в развитии промышленности по добыче и обработке материалов из природного камня проявились и негативные стороны, связанные с необоснованным расширением камнеобрабатывающего производства без достаточного развития добывающей промышленности. Ощущается дефицит блоков из природного камня, и в первую очередь, из высокопрочных пород. Многие отрасли промышленности, и особенно бумажная промышленность, испытывают большие затруднения в работе из-за отсутствия прессовых валов и других технических изделий из гранита, для производства которых нет достаточного количества добываемого высокопрочного каменного сырья. Темпы роста объемов добычи блоков из мягких и средней прочности пород более высокие, по сравнению с этими показателями на карьерах по добыче блоков из высокопрочных пород.

Актуальнейшей проблемой является увеличение изготовления полированных изделий из камня, главным образом, за счет рациональной добычи и обработки блоков.

Развитие и освоение новых методов добычи и обработки природного камня позволило существенно расширить области его применения и снизить стоимость работ с его использованием, однако, существующая технология отработки открытых карьеров каменного сырья основана на блочной технологии отделения камня от массива и не зависит от целей дальнейшего использования блока и будущего изделия [35, 36]. Отделение призматических блоков от массива чаще всего осуществляется взрывным методом или методом бурения шпуров с последующим откалыванием блока с помощью гидравлического клина [4]. Это не отвечает рациональному и экономичному отношению к невосполнимым природным ресурсам, так как большая часть сырья в таком случае теряется в виде отходов производства. Использование взрывчатых веществ при добыче блоков приводит к появлению в блоке сети мелких трещин, которые впоследствии значительно снижают срок службы получаемых изделии. Тем не менее, появляются новые современные способы отделения блоков от массива невзрывчатыми разрушающими средствами, такими, как камнерезные карьерные машины и алмазно-канатные пилы, используются гидроклиновые машины и гидродомкраты новых конструкций.

Для обработки блоков и придания им необходимой формы используются термогазоструйные машины и инструменты для резания камня. Однако, качество добываемых блоков в части соблюдения их формы, размеров, и монолитности камня не всегда удовлетворительное. Это значительно снижает эффективность производства, увеличивает материалоемкость и стоимость выпускаемой продукции.

При обработке блоков из природного камня значительная часть сырья теряется в виде отходов производства. По различным оценкам, эти отходы составляют от 15 до 40% [5]. Особенно большие потери происходят при изготовлении из камня изделий цилиндрической формы. Эти потери составляют 67-79% в зависимости от диаметра заготовок [48, 61].

Существующие методы добычи и обработки камня не в полной мере отвечают рациональному использованию невосполнимых природных ресурсов.

Значительно сократить расход каменного сырья при изготовлении изделий цилиндрической формы позволяет технология, использующая буровые установки и алмазный породоразрушающий инструмент для выбуривания из блоков камня цилиндрических заготовок [26, 50]. Значительных успехов в изготовлении гранитных валов для прессовой части бумагоделательных машин методом выбуривания добились специалисты бывшего Всероссийского научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР) и Центрального научно-исследовательского института бумажного машиностроения (ЦНИИ БумМАШ).

По сути, выбуривание - это новый метод отработки каменного сырья с возможностью доведения его до стадии технической продукции, удовлетворяющей определенным техническим требованиям.

Исследованием проблем выбуривания цилиндрических изделий из камня в разное время занимались следующие специалисты: И.Н. Андрианов, А.Г. Андреев, И.С. Афанасьев, Н.Т. Бакка, Ю.Е. Будюков, С.Г. Волосюк, Ю.Г. Карасев, А.И Колсанов, Н.И. Корнилов, А.И. Кукес, Е.П. Морозик, Ю.Д.

Мураев, В.П. Онищин, Ю.А. Оношко, А.И. Осецкий, В.А. Падуков, Ю.М. Поздняков, В.И. Сазыкин, В.И. Сидорко, В.В. Скрябин, И.Г. Шелковников и другие.

Целью работы является разработка технических средств и технологии выбуривания цилиндрических оболочек из камня коаксиальными колонковыми наборами в целях сокращения расхода невосполнимого природного сырья при их производстве.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование гидравлических характеристик коаксиальных колонковых наборов;

• исследование мощности при выбуривании в зависимости от вида каменного сырья и режимов бурения;

• разработка экспериментального стенда и макетного образца коаксиального колонкового набора;

• определение качества выбуриваемых оболочек, таких как чистота наружной поверхности, прямолинейность и разностенность в зависимости от вида каменного сырья и режимов выбуривания.

Защищаемые научные положения:

1. При эксплуатации коаксиальных колонковых наборов для своевременного удаления продуктов разрушения породы необходимо разделение входящего потока промывочной жидкости на параллельные потоки, направляемые отдельно под каждый породоразрушающий инструмент с возможностью последующего объединения их на выходе.

Основные научные результаты, полученные лично автором:

• определены мощности при выбуривании оболочек из различных видов каменного сырья;

Апробация работы. Основные положения, результаты исследований, выводы и рекомендации докладывались на П1-ей Международной научно-технической конференции НГУ "Эпштейновские чтения" (Украина, Днепропетровск, 2004.); на Международной научно-технической конференции "Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера", посвященной 75-летию АГТУ-АЛТИ (Архангельск, 2004.); на VTI-й Международной конференции МГГРУ "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2005.); на Международной конференции ИСМ им. В. И. Бакуля (Украина, Киев, 2004, 2005.); на VIII Международном симпозиуме им. академика М.А. Усова (Томск 2004.); на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005.); на заседаниях кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликованы восемь печатных работ, оформлена заявка на патент РФ.

Структура и объем и диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 78 наименований. Материал диссертации изложен на 149 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц, 48 рисунков и 10 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Егоров, Дмитрий Геннадьевич

Выводы по главе 4

1. Промышленное освоение техники и технологии выбуривания цилиндрических изделий из блоков камня позволяет получить выход готовой продукции 81-91% в зависимости от диаметра изделия, вместо 20-42% при существующем способе изготовления, чем резко сократит^ количество потребляемого каменного сырья и отходы производства.

2. Выбуривание позволяет значительно сократить расходы по добыче, транспортировке, обработке камня, утилизации отходов, исключает социально-вредные технологические операции, такие как термоструйная обработка и шарошение.

3. Использование алмазного породоразрушающего инструмента позволяет повысить качество продукции за счет исключения трещеноватых зон, вызванных ударными и термическими воздействиями при традиционном способе производства, которые снижают прочность и срок службы изделий.

4. Коаксиальное колонковое выбуривание оболочек позволяет довести выход готовой продукции до значений, превышающих расход каменного сырья, так как суммарный объем получаемых изделий превосходит изначальный. При этом расходуется в 2-3 раза меньше каменного сырья, чем при производстве эквивалентных изделий равного размера и диаметра традиционным способом.

5. Способ выбуривания может быть предложен для отработки карьеров по добыче каменного сырья.

6. Выбуривание непосредственно на карьере позволит отказаться, где позволяют геолого-технические условия, от проведения вскрышных работ и позволит проводить добычу камня вне зависимости от наличия бортов карьера. После проведения работ по выбуриванию пробуренные скважины могут быть заполнены экологически чистым природным материалом, таким как щебень и песок, что позволит сохранить природный ландшафт и экологическое равновесие.

131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические исследования и экспериментальные работы позволили сделать следующие выводы:

6. Разработан экспериментальный стенд для выбуривания цилиндрических оболочек из камня, изготовлен макетный образец коаксиального колонкового набора НКК-3(132) и полный комплект конструкторской документации.

7. Проведены экспериментальные исследования по выбуриванию оболочек из мрамора и гранита. Определены зависимости чистоты наружной поверхности, прямолинейности и разностенности оболочек от режимов выбуривания и видов каменного сырья. Установлена возможность получения оболочек с высокой (до V класса) чистотой наружной поверхности, незначительной разностенностью и высокой прямолинейностью.

133

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Егоров, Дмитрий Геннадьевич, Санкт-Петербург

1. Алмазное бурение / Н.И. Андрианов, Е.С. Бубнов и др. М.: Гостоптехиздат, 1961.

2. Алмазное бурение. Сб. (отв. ред. Л.Д. Башаркевич) М.: 1962.3 .Ассовский И.В., Гуревич В.Г. Каменотес. Л.: Стройиздат, 1972

3. Бабин Ю.Н., Шерстюк Б.Ф., Ракишев Б.Р., Бобович B.C. Техника и технология добычи гранитных блоков. М.: Недра, 1983.

4. Бакка Н.Т., Ильченко И.В. Облицовочный камень. Геолого-промышленная и технологическая оценка месторождений: Справочник. М.: Недра, 1992.

5. Балицкий B.C., Лисицына Е.Е. Синтетические аналоги и имитации природных драгоценных камней. М.: Недра, 1981.

6. Барон Л.И., Логунцов Б.М., Позин Е.З. Определение свойств горных пород: Справочное пособие. М., 1962.

7. Белицкая Э.И. Художественная обработка цветного камня. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.

8. Бергштейн О.Ю., Великосельский М.А., Вугин Р.Б. Совершенствование методов и средств отбора керна в глубоком бурении. М.: Недра, 1977.

9. Бойцов Ю.П., Кувшинкин С.Ю., Иванов С.Л. Технология производства и ремонта машин: Методические указания к лабораторным работам для студентов. СПб.: СПГТИ(ТУ), 2003.

10. Будюков Ю.Е. Научные основы проектирования специального алмазного породоразрушающего инструмента: Диссертация на соискание степени д.т.н. М., 2003.

11. Буровой агрегат ЗИФ-650М / Турчук A.A., Медведев Н.В., Орлов Л.Н., Титов П.С. М.: Госгеолтехиздат, 1959.

12. Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: Справочник / Н.И. Корнилов, H.H. Бухарев, А.Т. Киселев и др. М.: Недра, 1990.

13. Васюк Б.Н. Процессы истирания и разрушения керна при вращательном бурении скважин. Сб. "Породоразрушающий и металлообрабатывающийинструмент, техника и технология его изготовления и применения", №7. Киев, ИСМ им. В.И. Бакуля, НАНУ, 2004.

14. Ваттметр самопишущий щитовой Н396: Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

15. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976.

16. Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Горшков Л.К., Осецкий А.И. и др. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента. М.: Геоинформмарк. 2002.

17. Ганджумян P.A. Математическая статистика в разведочном бурении: Справочное пособие. М.: Недра, 1990.

18. Ганджумян P.A., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин: Справочное пособие. М.: Недра, 2000.

19. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. JL: Машиностроение, 1982.

20. Гийон М. Гидравлика. М.: 1982.

21. ГОСТ 9480-89 (CT СЭВ 6316-88) Плиты облицовочные пиленые из природного камня. Технические условия.

22. Егоров Д.Г. Результаты экспериментальных исследований по выбуриванию цилиндрических оболочек из камня / Научно-технический журнал Украины "Науковий Вюник". Днепропетровск, НГУ, 2004.

23. Егоров Д.Г., Онищин В.П. Производство валов и каменных оболочек способом выбуривания для строительных работ: Сб "Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера", том 2. Архангельск, АГТУ, 2004.

24. Журавлев А.Н. Допуски и технические измерения: Учебник. Издание 7-е. М.: Высшая школа, 1981.

25. Измеритель гладкости бумаги. Технический паспорт. Д.: 1982.

26. Изобретения стран мира: Сборник научных трудов за 1991-2000 г.г.

27. Илларионова Т.М. Бурение скважин с обратной эрлифтной промывкой в осложненных условиях. Л.: ОНТИ-ВИТР, 1973.

28. Илларионова Т.М. Техника и технология алмазного бурения с эрлифтной промывкой в осложненных условиях. Д.: ОНТИ-ВИТР, 1975.

29. Исследования методов оценки пригодности гранитов новых месторождений для прессовых валов: Отчет ЦНИИ БумМаш. Л.: 1989.

30. Карасев Ю.Г. Процессы и технология горных работ на карьерах стенового и облицовочного камня: Учебное пособие. М.: 1995-1996.

31. Карасев Ю.Г. Технология горных работ на карьерах облицовочного кайгня. М.: Недра, 1995.

32. Карасев Ю.Г., Бакка Н.Т. Природный камень. Добыча блочного и стенового камня. СПб.: СПГГИ(ТУ), 1997.

33. Карасев Ю.Г., Холодняков Г.А. Процессы и технология горных работ на карьерах стенового и облицовочного камня: Учебное пособие. СПб.: СПГГИ(ТУ), 1997.

34. Каталоги строительного бурового оборудования за 2002-2004 г.

35. Кожевников A.A., Гошовский C.B., Мартыненко И.И. Импульсные технологии бурения геологоразведочных скважин. Киев, УкрГГРИ, 2003.

36. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. М.: Недра, 1990.

37. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1988.

38. Макосеев А.И. Каменотес-гранитчик. Л.: Стройиздат, 1972.

39. Марамзин A.B., Блинов Г.А., Галиопа A.A. Технические средства для алмазного бурения. М.: Недра, 1986.

40. Метрология, стандартизация и качество продукции / А.П. Баталов, И.А. Ефимов, С.Л. Иванов: Методические указания для студентов специальности 170100. СПб.: СПГГИ(ТУ), 1993.

41. Михайлова Н.Д. Практические расчеты при колонковом бурении: Учебное пособие. Л.: ЛГИ, 1973.

42. Михайлова Н.Д. Техническое проектирование колонкового бурения. М.: Недра, 1985.

43. Насос буровой НБЗ-120/40. Паспорт и инструкция по эксплуатации.

44. Никитин Ю.В. Поделочные камни и их обработка. Л.: Наука, 1979.

45. Онищин В.П. Выбуривание новое направление в экономном расходе природного камня / Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Екатеринбург, УГГА, 1988.

46. Онищин В.П., Бобин Н.Е., Отчет о научно-исследовательской работе "Исследование и разработка технологии выбуривания крупногабаритных заготовок из камня для прессовых валов бумагоделательных машин" (заключительный). СПб.: СПГГИ(ТУ), 2001.

47. Онищин В.П., Егоров Д.Г. Экспериментальные исследования возможности коаксиального выбуривания цилиндрических изделий из камня. / Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Екатеринбург, УГГА, 2004.

48. Онищин В.П., Мураев Ю.Д. Технические основы технологии выбуривания заготовок из камня с использованием пены: Сб. докладов международного симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. СПб.: СПГГЩТУ), 2000.52

Информация о работе

Егоров, Дмитрий Геннадьевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.15

Диссертация

Выбуривание каменных оболочек коаксиальными колонковыми наборами - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы