Бурение инструментом с резцами из твердою сплава

Данный способ и соответствующие породоразрушающие инструменты предназначены для бурения горных пород 1-УН категорий по буримости. При этом, реализуются резание и скалывание породы под действием осевого усилия

Р_ое и усилия резания (рис. 2.11),

Уп

ОС

Л

Параметры резца: а - угол приострсния резца, град.; у_п - передний угол резца, град.;

Уз - задний угол резца, град.;

Р_р - угол резания, град.

Основные формы твердосплавных резцов следующие (рис. 2.11):

I - с положительным передним углом +у_п;

II - с отрицательным передним углом -у_п;

III - самозатачивающийся резец. При вращательном бурении

Рис. 2.11. Схема параметров вооружения твердосплавного инструмента

разрушение рыхлых, мягких и средней твердости, пластичных и упругопластичных горных пород успешно осуществляется резанием или резанием-скалыванием буровыми коронками или долотами, вооруженными твердосплавными резцами.

Рис. 2.12. Схема вооружения твердосплавной коронки

Коронки для бурения с твердосплавными резцами выполнены в виде стального кольца с размещенными твердосплавными резцами. Резцы располагаются по периметру корпуса коронки таким образом, чтобы при вращении перекрывался весь кольцевой забой скважины. При этом как по внутреннему, так и по наружному диаметрам короночного кольца резцы устанавливают с выпуском для обеспечения зазоров [ и /2, что определяет наружный ?)_н и внутренний диаметры коронки (рис. 2.12).

При разрушении пород реализуются: резание - непрерывное отделение пластичной породы кромкой прижатого к забою резца;

А.

скалывание - периодическое отделение осколков породы от забоя прижатым к породе с достаточным осевым усилием резцом или путем приложения ударного импульса к резцу;

резание-скалывание - отделение крупных

частей породы скалыванием или отрывом передней гранью резца с последующим срезанием мелких выступов до нового акта скалывания.

Твердосплавные коронки предназначены для колонкового вращательного бурения скважин в мягких и средней твердости горных породах 1-УШ категорий по буримости и подразделяются на три основные типа:

для бурения мягких пород (ребристые, крупнорезцовые) типа М (1-У категории по буримости);

для бурения малоабразивных пород средней твердости (гладкостенные резцовые) типа СМ (У-УП категории по буримости);

для бурения абразивных пород средней твердости (гладкостенные, микрорезцовые или самозатачивающиеся) типа СА (абразивные породы VI-VIII категории по буримости).

Эффективность работы коронки во многом зависит от угла заточки а переднего угла у_п, угла поворота резцов, их числа и расположения резцов относительно друг друга. Угол а выбирают в зависимости от характера проходимых пород: чем тверже порода, тем этот угол больше. Для пород средней твердости рациональным является прямой угол резания а, для мягких пород - 80-75.

Разворот резцов относительно радиуса коронки на 10-15 повышает их сопротивляемость сколу. Выход резцов за пределы наружного и внутреннего контура корпуса зависит от твердости пород: 0,75-1,0 мм - при бурении пород средней твердости и твердых и 3-6 мм для бурения мягких пород.

Размер резца (выступание резца над торцом коронки) также зависит от твердости горных пород: для горных пород средней твердости и твердых размер составляет 1,5-2,5 мм и 3-7 мм для бурения мягких пород. Для бурения твердых и абразивных пород средней твердости применяют резцы небольшой площади сечения, которые в процессе работы самозатачиваются.

Рис. 2.13. Твердосплавные коронки Atlas Copco: а- с плоскими поверхностями; б - с восьмигранными

вставками; в - Corborit

Эффективно работают резцы в коронке, конструкция которой обеспечивает ступенчатую форму разрушения забоя, так как наличие дополнительных обнаженных поверхностей забоя способствует более эффективному разрушению породы. Как следует из опытных данных, механическая скорость бурения при ступенчатом забое может быть в 1,9 раза выше, чем при плоском.

Компания Atlas Copco для бурения мягких, средней твердости и твердых горных пород применяет коронки резцового типа с плоскими поверхностями (рис. 2.13, а), с восьмигранными вставками (рис. 2.13, б) и с вооружением из дробленого карбида вольфрама Corborit (рис. 2.13, в).

Коронка с плоскими поверхностями (см. рис. 2.13, а) используется с буровыми снарядами типа СЕОВСЖ 8 для бурения в рыхлых породах. При бурении такими коронками разрушенная порода гранями резцов направляется в стороны, что, в свою очередь, приводит к снижению заклинивания керна.

Коронки с восьмигранными вставками (см. рис. 2.13, б) имеют угол наклона режущих поверхностей 10. Вставки выполнены из износостойкого сплава ВК. В процессе эксплуатации коронки можно многократно затачиваться.

Коронка СогЬогй (см. рис. 2.13, в) имеет чрезвычайно шершавую многогранную рабочую поверхность, полученную при спекании матрицы, состоящей из зерен карбида вольфрама, и специального сплава, который, расплавляясь, связывает зерна карбида XV. Матрица коронки разделена промывочными каналами. Размер зерен карбида вольфрама от 2 до 5 мм.

В процессе бурения коронка с подобным вооружением обладает большим количеством режущих кромок, вступающих в контакт с породой, что позволяет

Рис. 2.14. Схема условий работы на забое скважины твердосплавного резца

снизить вибрирование в процессе резания-скалывания горной породы. Коронку можно применять для бурения горных пород средней твердости с пропластками твердых горных пород.

Работа твердосплавного резца сводится к следующим основным положениям,

изложенных в учебном пособии С.С. Сулакшина [33]:

• - под действием осевого усилия Р резец внедряется в породу на глубину /г;
• - разрушение горной породы происходит под действием усилия Я_р, реализуемого при передаче на инструмент крутящего момента.

Каждый резец коронки при углублении в породу совершает путь по траектории винтовой линии радиуса Я (радиус скважины) и с шагом винтовой линии 5 (рис. 2.14). Шаг спирали очень мал, зависит от толщины снимаемого слоя породы за один оборот вращения резца /г. Угол наклона винтовой траектории перемещения резца в пространстве определяется из зависимости

.т. Л

т = агс1я —.

2 Я

Рис. 2.15. Схема работы коронки с твердосплавными резцами на забое скважины

В первый момент внедрения резца без вращения в упруго-пластичную породу происходит смятие и раздавливание породы задней гранью резца. При этом часть разрушенной породы выталкивается из-под резца в виде тонко раздробленной массы.

В дальнейшем под действием осевого усилия внедрение происходит по наклонной поверхности задней грани резца и наступает разрушение горной породы передней гранью при перемещении резца вперед. При этом порода скалывается не только впереди резца, но и с его боков. Под задней гранью резца образуется слой спрессованной и раздавленной породы.

Таким образом, объем разрушенной породы превосходит объем внедрившейся части резца и тем более, чем более хрупка порода и выше осевое усилие.

При работе резца в щели (стесненные условия) выкол происходит только перед передней гранью резца.

Процесс разрушения при вращательном бурении связан с перемещением резцов инструмента, нагруженного осевым усилием Р, вдоль плоскости резания - скалывания под действием усилия ^_Р(рис. 2.15).

При бурении пластичных пород реализуется резание с образованием сливной стружки. Сливная стружка - сплошная лента отделенных от забоя и слегка сдвинутых элементов без нарушения сплошности с проявлением пластической деформации.

При бурении упруго-хрупких пород реализуется процесс резания-скалывания.

При бурении хрупких и достаточно прочных пород имеет место циклический характер разрушения, который реализуется как скол породы в большом объеме, затем отделение мелких частиц, с последующим накоплением энергии (резец останавливается, упираясь в слой неразрушенной породы) и новым сколом большого объема породы. В этом случае при разрушении возникают рывки и остановки инструмента.

Глубину внедрения твердосплавного резца с передним углом равным О можро определять по зависимости [5]:

Р

р_ш1{?а{1/со$а + б та - /²8та)(1 + tgф)'

(2.20)

Из выражения (2.20) следует, что глубина внедрения резца в породу увеличивается при повышении осевого усилия, уменьшении ширины резца и угла его приострения, а также в случае меньших значений твердости горной породы и коэффициента внешнего трения резца о породу, коэффициента внутреннего трения в деформируемом объеме горной породы.

Усилие резания-скалывания породы можно рассчитать по зависимости:

^р,=

а_скЫ( + 1§ср,) _т

эту

-*-4-— + /Р. (2.21)

ск

Угол скалывания породы у_ск породы может изменяться в пределах 15-30. Меньшие значения углов скалывания более соответствуют разрушению твердых пород, большие - породам средней твердости и мягким.

Механическая скорость бурения твердосплавной коронкой определяется по зависимости:

у_м = 60 1г т со [м/час], (2.22)

где /? - глубина внедрения резца, определяемая по формуле (2.20), м; т - число резцов в линии резания коронки;

со - частота вращения коронки, мин'¹.

Анализ влияния параметров режима на механическую скорость бурения твердосплавными коронками показывает, что основными из них являются осевая нагрузка на инструмент, частота вращения, число резцов, их расстановка и геометрия, а также прочностные свойства горных пород.

Бурение в стендовых условиях самозатачивающимися коронками позволило получить модель влияния некоторых из названных факторов на механическую скорость бурения:

у_м = 14,75+0,92 О) +1,75 Р +3,06п - 2,03р_ш +Р со, (2.23)

где Р - осевая нагрузка; со - частота вращения; п - число резцов; р_ш - твердость горных пород.

Как следует из уравнения, на величину механической скорости бурения наиболее существенно влияет число резцов и твердость горной породы, далее по значимости идет осевая нагрузка и только затем частота вращения. При этом отметим, что и число резцов у коронки, и твердость породы, и осевая нагрузка - это факторы, задающие величину контактного напряжения, а соответственно и режим разрушения породы.

Повышение частоты вращения выше оптимальных значений приводит к повышенному износу резцов коронки. В связи с этим рекомендован оптимальный режим бурения твердосплавными коронками при окружной скорости перемещения резца г_р= 1,4-1,5 м/с. Для коронок диаметром 46, 59, 76 , 93, 112, 132, 151 мм, с учетом допустимой окружной скорости, могут быть ориентировочно рекомендованы частоты вращения 500, 400, 300, 250, 200, 180 и 150 мин'¹.

При бурении трещиноватых, абразивных пород частота вращения снижается в сравнении с рекомендуемыми.

Осевая нагрузка рассчитывается из оптимальных значений нагрузки на один резец. В зависимости от твердости горных пород оптимальная удельная нагрузка на резец может изменяться от 0,4-0,5 кН при бурении мягких пород I, II категорий по буримости и до 1,0-1,2 кН при бурении горных пород VIII категории по буримости.

При бурении трещиноватых пород величины осевого усилия и частоты вращения несколько снижаются. В данном случае критериями уровня снижения осевого усилия и частоты вращения инструмента являются вибрация снаряда и ресурс бурового инструмента. При повышении вибрации необходимо найти такие сочетания значений осевого усилия и частоты вращения, при которых уровень вибрации будет незначительным или допустимым. Снижение ресурса бурового инструмента также требует переоценки влияния параметров режима бурения на буримость горной породы. При этом бывает достаточно незначительной корректировки того или иного параметра для получения оптимальных условий разрушения горных пород.

Расход промывочной жидкости с повышением твердости буримых горных пород следует снижать, посокльку объем и размер, образующегося при бурении шлама будет снижаться.

Так, если при бурении горных пород I, II категории по буримости рекомендуется подавать к забою 12-15 л/мин, то при бурении горных пород VII—VIII категории по буримости - 7-12 л/мин.