Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к способам определения прочности и твердости горных пород и может быть использовано в горном деле для выбора рабочих технических средств. Способ определения прочности горных пород заключается в воздействии на горную породу разрушающей нагрузкой от вращающегося индентора, в процессе разрушения горной породы одновременно измеряют мощность акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц и скорость относительного перемещения индентора и горной породы, определяют показатель прочности горной породы - удельную акустическую энергию, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний на скорость относительного перемещения индентора и горной породы. Устройство для определения прочности горной породы содержит нагружающий блок, выполненный в виде режущего инструмента - алмазного круга, установленного на шпинделе, соединенного с помощью передаточного механизма с приводным двигателем, и измерительный блок. Устройство также снабжено подвижной кареткой с захватом для образца горной породы, соединенной с помощью передаточного механизма с приводным двигателем и перемещающейся по направляющей перпендикулярно оси вращения алмазного круга с заданным углублением алмазного круга в образец горной породы, и датчиком акустических колебаний, установленным в призабойной зоне. Данное изобретение направлено на повышение точности определения прочностных свойств исследуемой горной породы. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к способам определения прочности и твердости горных пород путем приложения к ним механических усилий и может быть использовано в горном деле, бурении, резании, обогащении и других областях народного хозяйства, где горная порода подвергается воздействию вращающегося инструмента, для выбора технических средств и технологии разрушения, нормирования труда и расхода материалов.

Известны способы определения прочности горной породы, включающие различные виды механического воздействия на горную породу, разрушение горной породы и определение показателей прочности с использованием величины прикладываемой нагрузки, площади контактной поверхности индентора или площади лунки разрушения в горной породе (см. книги: Шрейнер Л.А. Механические и абразивные свойства горных пород. М.: Углетехиздат, 1958; Любимов Н.И., Носенко Л.И. Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов. М. : Недра, 1978 и др.).

Недостатком известных способов определения прочности горной породы является отличие формы применяемых инденторов и скорости приложения нагрузки на горную породу от формы породоразрушающего инструмента и скорости приложения усилий при воздействии инструмента на горную породу. Это обуславливает резкое отличие механизма разрушения горных пород при испытаниях от реализуемого в производственных процессах. Как следствие, прочность горной породы, определенная по данным способам, не отражает реальной прочности горной породы.

Известен способ определения прочности горной породы резанием, включающий воздействие на образец горной породы вращающимся карборундовым кругом и определение прочности горной породы по глубине реза в образце после совершения кругом фиксированного числа оборотов (см. Витторф М.В., Быкова Н.В. Новое в определении буримости горных пород. - В сб.: Методика и техника разведки, 58 - Л.: ВИТР, 1967, с. 68-71; а также Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б. Б. и др. Технология и техника разведочного бурения, М.: Недра, 1983, с. 18). Резание осуществляется перпендикулярно образующей керна при постоянных усилии подачи и частоте вращения круга, а также расходе охлаждающей жидкости. Считается, что прочность горной породы увеличивается при уменьшении глубины реза. Способ обеспечивает при испытании наиболее полное воссоздание вида нагружения горной породы, реализуемого в производственных процессах бурения и резания, и имеет высокую производительность.

Недостатками указанного способа являются реализуемые направление воздействия на горную породу перпендикулярно образующей керна, режим нагружения с постоянным усилием подачи круга и используемый показатель прочности (глубина реза), что обусловливает неточное определение прочности горной породы. Воздействие на горную породу перпендикулярно образующей керна вызывает изменение площади контакта круга по мере углубления в горную породу и сопровождается появлением трудно контролируемых факторов (вибраций), изменяющихся в зависимости от величины углубки. Глубина реза при постоянном усилии подачи зависит от оптимальности сочетания круг - порода. В горных породах, в которых применение круга не является оптимальным (например, в глинистых сланцах), скорость резания уменьшается и способ дает завышенные значения прочности.

Указанный способ выбран в качестве прототипа предлагаемого способа определения прочности горных пород.

Известны устройства для определения прочности горной породы, содержащие нагружающий и измерительный блоки (см. книгу Любимов Н.И., Носенко Л.И. Справочник по физико-механическим параметрам горных пород рудных районов. М. : Недра, 1978, с. 19-23 и др.).

Недостатками известных устройств для определения прочности горной породы являются реализация при испытаниях только простых видов нагружения горной породы (сжатие, растяжение и др.) и отличие формы используемых инденторов от породоразрушающего инструмента. Это обусловливает резкое отличие механизма разрушения горных пород на известных устройствах от реализуемого в производственных процессах бурения и резания. Как следствие, прочность горной породы, определенная с использованием известных устройств, не отражает реальной прочности горной породы.

Известно устройство для определения прочности горной породы (см. книгу Шамшев Ф. А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др. Технология и техника разведочного бурения, М.: Недра, 1983, с. 18) путем резания образца горной породы карборундовым кругом, состоящее из нагружающего блока с устройством регистрации глубины реза. Разрушение образца горной породы производится перемещением вращающегося карборундового круга вглубь и перпендикулярно поверхности образца горной породы (образующей керна) при постоянном усилии подачи. Показатель прочности горной породы "глубина реза" определяется с помощью индикатора часового типа.

Недостатками указанного устройства являются используемый показатель прочности (глубина реза), а также невозможность обеспечения постоянной площади контакта и постоянной скорости относительного перемещения круга и образца горной породы, что вызывает неточное определение прочности горной породы.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого устройства для реализации способа определения прочности горных пород.

Сущность изобретения "Способ определения прочности горной породы" состоит в том, что для повышения точности определения прочности горной породы используются параметры акустических колебаний, возникающих в процессе разрушения горной породы вращающимся индентором. В процессе разрушения горной породы одновременно измеряется мощность акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц - _A и скорость относительного перемещения индентора и горной породы. Показатель прочности горной породы - удельная акустическая энергия W_AV, выделившаяся при разрушении, определяется путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость относительного перемещения индентора и горной породы.

Отличительными особенностями способа являются: 1. Использование в качестве показателя прочности величины, непосредственно связанной с физическими процессами, протекающими в зоне контакта породоразрушающего инструмента с горной породой.

2. Связь используемого показателя с мгновенными значениями протекания процесса разрушения позволяет использовать способ в реальном масштабе времени непосредственно при разрушении.

Отмеченные отличия изобретения обеспечивают более точную и объективную оценку прочности горных пород на воздействие вращающимся породоразрушающим инструментом.

Сущность изобретения "Устройство для определения прочности горной породы" состоит в том, что устройство содержит нагружающий блок, выполненный в виде режущего инструмента - алмазного круга, установленного на шпинделе и соединенного с помощью передаточного механизма с приводным двигателем, образец горной породы и измерительный блок. Устройство снабжено подвижной кареткой с захватом для образца горной породы, соединенной с помощью передаточного механизма с приводным двигателем и перемещающейся по направляющей перпендикулярно оси вращения алмазного круга с заданным углублением алмазного круга в образец горной породы, и снабжено датчиком акустических колебаний, установленным в призабойной зоне.

По сравнению с карборундовым кругом алмазный круг имеет более высокую режущую способность и значительно больший ресурс. Механизм разрушения горной породы резанием алмазным кругом в целом идентичен разрушению бурением.

Резание керна вдоль образующей с заданным углублением алмазного круга в образец горной породы обеспечивает постоянство площади контакта круга с горной породой и, соответственно, стабильные условия измерений. Кроме этого, резание вдоль образующей керна позволяет избежать предварительной подготовки образца горной породы. Помещение датчика акустических колебаний в призабойную зону позволяет регистрировать высокочастотные акустические колебаний, которые имеют незначительную амплитуду и не распространяются на большие расстояния.

На фиг. 1 приведены акустические спектры при бурении гранита алмазной коронкой типа ИМВ-3 в нормальном состоянии и при полной потере режущих свойств.

На фиг.2 показана зависимость предела прочности на одноосное сжатие σ_сж от удельной акустической энергии W_AV, выделившейся при разрушении, при бурении алмазной коронкой 01А4-76.

На фиг.3 приведен общий вид устройства определения прочности горных пород.

Способ определения прочности горной породы включает воздействие на горную породу и разрушение горной породы вращающимся индентором, измерение мощности акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц - _A и скорости относительного перемещения индентора и горной породы; расчет показателя прочности горной породы (удельной акустической энергии W_AV, выделившейся при разрушении) путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость относительного перемещения индентора и горной породы.

Физической основой предлагаемого способа явились результаты экспериментальных исследований процесса механического разрушения горной породы вращающимся инструментом на основе акустических измерений, проведенных авторами при бурении скважин в производственных условиях на месторождениях Карело-Кольского региона и Донбасса, а также на буровых и камнерезных стендах Всероссийского научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР) в 1985-1999 г.г. В процессе исследований изучались спектральный состав акустических колебаний в призабойной зоне бурящейся скважины и реза, прочностные свойства горных пород, технические показатели бурения и резания (скорость разрушения горной породы, ресурс породоразрушающего инструмента и т.д.).

Основным отличием проведенных ВИТР исследований явилось измерение акустических колебаний в призабойной зоне бурящейся скважины и реза и применение спектрального анализа в широком диапазоне частот до 20 кГц и выше.

В результате исследований установлено, что спектральный анализ акустических колебаний позволяет разделить процессы, протекающие при механическом разрушении горных пород вращающимся породоразрушающим инструментом. Сравнение акустических спектров при бурении алмазными коронками в нормальном состоянии и при полном износе показало, что высокочастотные акустические колебания в диапазоне частот 7-20 кГц возникают одновременно с началом разрушения горной породы. При бурении гранита коронкой ИМВ-3-46 на постоянном режиме (осевая нагрузка 1000 даН, частота вращения 640 мин^-1, расход охлаждающей жидкости 19 дм³/мин) с механической скоростью 1.8 м/ч диапазон акустического спектра составлял 0-20 кГц (фиг.1, кривая 1). Но как только был полностью изношен алмазосодержащий слой, разрушение прекратилось и диапазон акустического спектра снизился до 7 кГц (фиг.1, кривая 2).

Высокочастотные акустические колебания в диапазоне частот 7-20 кГц представляют сигнал вызванной акустической эмиссии и связаны с прочностью горной породы. Генезис акустических колебаний в диапазоне частот 7-20 кГц связан с процессами излучения акустических волн при упругой деформации и нарушении сплошности (развитием трещин) в горной породе. В силу высокой частоты диапазон 7-20 кГц оказывается свободным от шумов, не связанных с разрушением. В низкочастотном диапазоне до 7 кГц в основном присутствуют шумы от непроизводительных процессов (вибраций инструмента).

Для отражения изменения мощности акустического сигнала использовался интеграл от спектра по частоте в диапазоне 7-20 кГц Величина W_A определяется площадью ограниченной кривой спектра в диапазоне частот 7-20 кГц (заштрихованная область на фиг.1). Размерностью W_A является единица мВ кГц, которая в тексте заменена на условные единицы (1 у. ед= 1 мВ•кГц). Для отражения изменения мощности акустического сигнала также использовалось среднеквадратичное значение звукового давления, измеряемое в паскалях.

Удельная акустическая энергия W_AV, выделившаяся в диапазоне 7-20 кГц при разрушении единицы объема горной породы, определялась как отношение мощности W_A к объемной скорости разрушения горной породы υ: Установлена положительная корреляционная зависимость между удельной акустической энергией W_AV и прочностными показателями, определенными методами одноосного сжатия, царапания (метод Мооса) (табл.1), вдавливания штампа (метод Л.А. Шрейнера), а также объединенным показателем буримости по методу ЦНИГРИ. Коэффициент корреляции колеблется в пределах 0,85-0,95. Зависимость между пределом прочности на одноосное сжатие и удельной акустической энергии W_AV при бурении коронкой 01А4-76 некоторых горных пород на месторождениях Карело-Кольского региона и Донбасса приведено на фиг.2.

Способ был опробован в ВИТРе на устройстве, реализующем разрушение горной породы вращающимся индентором и снабженном датчиком акустических колебаний, установленным в призабойной зоне.

Устройство определения прочности горной породы (фиг.3) состоит из нагружающего блока, акустического датчика (микрофона) и измерительного блока. Нагружающий блок содержит основание (1), исполнительный электродвигатель (2), передаточный механизм подвижной каретки (3) червячного типа, направляющую (4), подвижную каретку (5), закрепленную на направляющей (4) с возможностью перемещения вдоль нее, захват (6) с образцом горной породы, алмазный круг (9), закрепленный на шпинделе (10), передаточный механизм шпинделя (11) ременного типа. Акустический датчик (7) размещен в призабойной зоне на кронштейне на расстоянии 0,2 м от алмазного круга и направлен активной частью на зону контакта круга с образцом горной породы. Измерительный блок (8) состоит из анализатора спектра СК4-56 и двухкоординатного самописца Н307/2 и соединен с акустическим датчиком (7) посредством кабеля. В качестве измерительного блока (8) также может быть использован персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением.

При включении электродвигателя (2) вращение посредством передаточных механизмов (11) и (3) передается на шпиндель (10) с алмазным кругом (9) и подвижную каретку (5). В результате подвижная каретка (5) и захват (6) с образцом горной породы перемещаются с постоянной скоростью в направлении вращающегося алмазного круга (9). Глубина реза постоянна и равна 0,006 м. Скорость относительного перемещения круга и образца горной породы постоянна и равняется 0,002 м/с. Частота вращения алмазного круга равна 1400 мин^-1. Охлаждение круга осуществляется окунанием в емкость с технической водой. Измерительный блок осуществляет измерение акустических колебаний, поступающих с датчика, анализ акустического спектра и расчет мощности акустических колебаний W_A в диапазоне частот 7-20 кГц. Расчет удельной акустической энергии W_AV горной породы производится путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость резания.

С помощью устройства испытано более 2000 тысяч образцов горных пород. Результаты испытаний показали четкое разделение горных пород по удельной акустической энергии W_AV и высокую корреляцию с показателями прочности, определенными по другим методам (табл. 2).

Качество определения прочности горных пород по предлагаемому способу подтверждено результатами опробования способа на кернах горных пород различных месторождений. Сравнительные данные по диапазонам изменения W_AV, коэффициента крепости (по М.М. Протодьяконову), прочности на одноосное сжатие, глубины реза на приборе ВИТР-ОТ (по М.М. Витторфу), твердости по штампу (по Л. А. Шрейнеру) и динамической прочности по толчению (по К.И. Сыскову и М.М. Протодьяконову) для некоторых групп горных пород приведены в табл. 2. Для всех показателей прочности происходит увеличение нижней и верхней границ диапазонов в последовательности: рыхлые породы - глины - алевролиты, аргиллиты, глинистые и песчано-глинистые сланцы - мраморы - известняки - песчаники - кварциты, гнейсы - граниты, гранито-гнейсы, габбро-нориты и габбро-диабазы - джеспилиты - кремнистые породы.

Экономическая эффективность предлагаемого способа определения прочности горных пород и устройства для его реализации достигается за счет повышения точности определения прочности горных пород; отсутствия ограничений по области применения; экономии невосполнимого кернового материала; устранения операции пробоподготовки; высокой производительности и низкой стоимости испытаний.

Формула изобретения

1. Способ определения прочности горных пород, включающий воздействие на горную породу и разрушение горной породы вращающимся индентором, отличающийся тем, что в процессе разрушения горной породы одновременно измеряют мощность акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц-W_A и скорость относительного перемещения индентора и горной породы, определяют показатель прочности горной породы - удельную акустическую энергию W_AV, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний W_A на скорость относительного перемещения индентора и горной породы.

2. Устройство для определения прочности горной породы, содержащее нагружающий блок, выполненный в виде режущего инструмента, установленного на шпинделе, соединенного с помощью передаточного механизма с приводным двигателем, образец горной породы и измерительный блок, отличающееся тем, что режущий инструмент выполнен в виде алмазного круга, устройство снабжено подвижной кареткой с захватом для образца горной породы, соединенной с помощью передаточного механизма с приводным двигателем и перемещающейся по направляющей перпендикулярно оси вращения алмазного круга с заданным углублением алмазного круга в образец горной породы, и снабжено датчиком акустических колебаний, установленным в призабойной зоне.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5