Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя
В статье рассмотрена задача нагрева поверхности полупространства горной породы в зоне контакта при движении по ней плоского нагруженного штампа для подготовки к термоциклическому разрушению. Получены аналитические зависимости температуры нагрева горной породы от нагрузок на штамп и скорости его скол...
Saved in:
| Published in: | Геотехнічна механіка |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2017
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158587 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя / В.Ф. Ганкевич, В.И. Кравец, О.В. Ливак // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 135. — С. 83-91. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158587 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ганкевич, В.Ф. Кравец, В.И. Ливак, О.В. 2019-09-07T17:34:34Z 2019-09-07T17:34:34Z 2017 Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя / В.Ф. Ганкевич, В.И. Кравец, О.В. Ливак // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 135. — С. 83-91. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158587 622.236.3:622.235.57;536.4 В статье рассмотрена задача нагрева поверхности полупространства горной породы в зоне контакта при движении по ней плоского нагруженного штампа для подготовки к термоциклическому разрушению. Получены аналитические зависимости температуры нагрева горной породы от нагрузок на штамп и скорости его скольжения. У статті розглянуто задачу нагрівання поверхні півпростору гірської породи в зоні контакту, коли по ній рухається плоский навантажений штамп, для підготовки до термоциклічного руйнування. Отримано аналітичні залежності температури нагрівання гірської породи від навантажень на штамп і швидкості його ковзання. Problem of rock half-space surface heating in the contact area when a flat loaded stamp moves along it for preparing for the thermal cyclic destruction is considered. Analytical dependencies between the rock heating and stamp loading and its sliding velocity are obtained. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехнічна механіка Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя Дослідження температурних полів на поверхні гірничої породи під час тертя плоского елементу для термоциклічного ослаблення поверхневого шару Research of the temperature fields on surface of mine breed at friction of flat element for thermo-cyclical weakening of superficial layer Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя |
| spellingShingle |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя Ганкевич, В.Ф. Кравец, В.И. Ливак, О.В. |
| title_short |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя |
| title_full |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя |
| title_fullStr |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя |
| title_full_unstemmed |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя |
| title_sort |
исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя |
| author |
Ганкевич, В.Ф. Кравец, В.И. Ливак, О.В. |
| author_facet |
Ганкевич, В.Ф. Кравец, В.И. Ливак, О.В. |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехнічна механіка |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження температурних полів на поверхні гірничої породи під час тертя плоского елементу для термоциклічного ослаблення поверхневого шару Research of the temperature fields on surface of mine breed at friction of flat element for thermo-cyclical weakening of superficial layer |
| description |
В статье рассмотрена задача нагрева поверхности полупространства горной породы в зоне контакта при движении по ней плоского нагруженного штампа для подготовки к термоциклическому разрушению. Получены аналитические зависимости температуры нагрева горной породы от нагрузок на штамп и скорости его скольжения.
У статті розглянуто задачу нагрівання поверхні півпростору гірської породи в зоні контакту, коли по ній рухається плоский навантажений штамп, для підготовки до термоциклічного руйнування. Отримано аналітичні залежності температури нагрівання гірської породи від навантажень на штамп і швидкості його ковзання.
Problem of rock half-space surface heating in the contact area when a flat loaded stamp moves along it for preparing for the thermal cyclic destruction is considered. Analytical dependencies between the rock heating and stamp loading and its sliding velocity are obtained.
|
| issn |
1607-4556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158587 |
| citation_txt |
Исследование температурных полей на поверхности горной породы при трении плоского элемента для термоциклического ослабления поверхностного слоя / В.Ф. Ганкевич, В.И. Кравец, О.В. Ливак // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпро: ИГТМ НАНУ, 2017. — Вип. 135. — С. 83-91. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gankevičvf issledovanietemperaturnyhpoleinapoverhnostigornoiporodypritreniiploskogoélementadlâtermocikličeskogooslableniâpoverhnostnogosloâ AT kravecvi issledovanietemperaturnyhpoleinapoverhnostigornoiporodypritreniiploskogoélementadlâtermocikličeskogooslableniâpoverhnostnogosloâ AT livakov issledovanietemperaturnyhpoleinapoverhnostigornoiporodypritreniiploskogoélementadlâtermocikličeskogooslableniâpoverhnostnogosloâ AT gankevičvf doslídžennâtemperaturnihpolívnapoverhnígírničoíporodipídčastertâploskogoelementudlâtermociklíčnogooslablennâpoverhnevogošaru AT kravecvi doslídžennâtemperaturnihpolívnapoverhnígírničoíporodipídčastertâploskogoelementudlâtermociklíčnogooslablennâpoverhnevogošaru AT livakov doslídžennâtemperaturnihpolívnapoverhnígírničoíporodipídčastertâploskogoelementudlâtermociklíčnogooslablennâpoverhnevogošaru AT gankevičvf researchofthetemperaturefieldsonsurfaceofminebreedatfrictionofflatelementforthermocyclicalweakeningofsuperficiallayer AT kravecvi researchofthetemperaturefieldsonsurfaceofminebreedatfrictionofflatelementforthermocyclicalweakeningofsuperficiallayer AT livakov researchofthetemperaturefieldsonsurfaceofminebreedatfrictionofflatelementforthermocyclicalweakeningofsuperficiallayer |
| first_indexed |
2025-11-26T00:08:40Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:08:40Z |
| _version_ |
1850593189780520960 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
83
УДК 622.236.3:622.235.57;536.4
Ганкевич В.Ф., канд. техн. наук, доцент
(ГВУЗ «НГУ»)
Кравец В.И., канд. техн. наук, доцент,
Ливак О.В., магистр
(ГВУЗ «УГХТУ»)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ
ГОРНОЙ ПОРОДЫ ПРИ ТРЕНИИ ПЛОСКОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ
ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОГО ОСЛАБЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Ганкевич В.Ф., канд. техн. наук, доцент
(ДВУЗ «НГУ»)
Кравець В.І., канд. техн. наук, доцент,
Лівак О.В., магістр
(ДВУЗ «УГХТУ»)
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛІВ НА ПОВЕРХНІ ГІРНИЧОЇ
ПОРОДИ ПІД ЧАС ТЕРТЯ ПЛОСКОГО ЕЛЕМЕНТУ ДЛЯ
ТЕРМОЦИКЛІЧНОГО ОСЛАБЛЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ
Gankevich V.F., Ph.D. (Tech.), Associate Professor
(SHEI «NMU»)
Kravets V.I., Ph.D. (Tech.), Associate Professor,
Livak O.V., M.S (Tech.)
(SHEI «USUChT»)
RESEARCH OF THE TEMPERATURE FIELDS ON SURFACE OF MINE
BREED AT FRICTION OF FLAT ELEMENT FOR
THERMO-CYCLICAL WEAKENING OF SUPERFICIAL LAYER
Аннотация. В статье рассмотрена задача нагрева поверхности полупространства горной
породы в зоне контакта при движении по ней плоского нагруженного штампа для подготов-
ки к термоциклическому разрушению. Получены аналитические зависимости температуры
нагрева горной породы от нагрузок на штамп и скорости его скольжения. Проведенное срав-
нение аналитических зависимостей получаемых температур с экспериментальными данными
показывает, что с уменьшением интенсивности промывки скважин значения расчетных тем-
ператур приближаются к экспериментальным, так как расчетная зависимость не предусмат-
ривает какого-либо охлаждения как полупространства, так и штампа. Полученные зависимо-
сти позволяют рассчитывать любые элементы трения о забой и стенки скважины при проек-
тировании технологических процессов и рабочих органов, реализующих в скважинах термо-
циклическое растрескивание и разупрочнение породы (вплоть до плавления) с предваритель-
ным нагревом породы трением.
Ключевые слова: горная порода, термическое разрушение, бурение, трение
Резкое охлаждение породы, нагретой до высоких температур, приводит к
развитию мощных растягивающих напряжений на охлаждающей поверхности
и, как следствие, растрескиванию породы.
________________________________________________________________________________
© В.Ф. Ганкевич, В.И. Кравец, О.В. Ливак, 2017
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
84
Для реализации термоциклического разрушения необходимо поверхность
породы сначала каким-то образом нагреть до высоких температур, а затем
резко охладить.
Способов нагрева горной породы существует достаточно много: горячей
газовой струёй, струёй перегретого пара, электронагревом, плазменной струёй,
трением и т.д. [Дмитриев А.П., 1978]. Все эти способы в той или иной мере
прошли испытания на горных породах. В стеснённых условиях скважин и при
наличии больших глубин бурения или обработки полученных полостей
практическая реализация большинства способов предварительного нагрева
является очень сложной технической задачей. В то же время, при бурении
любой скважины имеет место вращение инструмента и буровых труб, а также
механические нагрузки. Эти два фактора (вращение и нагрузки) являются
достаточными для организации в полости скважины, как на забое, так и на
стенках эффективного нагрева заданных участков породы трением. Пример
алмазного бурения показывает, что при определённых условиях может легко
наступить режим бурения вызывающий плавление буримой породы и торца
коронки в зоне контакта (режим “прижога” коронки). В реальных условиях
проходки скважины такой режим работы является неприемлемым и его
стараются избегать.
Элементы трения могут встраиваться как непосредственно в буровой
инструмент, если речь идет о повышении эффективности бурения, так и в
буровые штанги, если в ходе бурения необходимо создавать вокруг скважины
развитую систему трещин.
Задача резкого охлаждения породы в скважине решается значительно
проще, чем задача нагрева. Большинство процессов бурения сопровождается
промывкой скважины водой или буровыми растворами, которые являются
очень эффективными хладагентами. Интенсивность теплосъёма с нагретого
участка породы определяется, в основном, скоростью движения жидкости
вдоль разогретого участка породы и временем контакта пары порода -
хладагент.
Для проектирования эффективных элементов трения необходимо иметь
решение задачи о температуре на поверхности породы при трении об неё
элемента заданной формы.
Величина нагрева породы при трении плоским штампом определяется
плотностью теплового потока, поступающего в породу и временем воздействия
потока на массив. Плотность теплового потока определяется зависимостью:
0q P f V η= ⋅ ⋅ ⋅ , (1)
где 0P - удельное давление на поверхности трения; f - коэффициент трения
штампа о породу; V - скорость перемещения штампа вдоль породы; η - к.п.д.
преобразования механической работы по перемещению штампа в тепло
(например, при трении матрицы алмазной коронки о забой η= 0,97-0,98).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
85
Для выяснения природы и характера нагрева поверхности забоя при
движении штампа по забою воспользуемся подходом, приведенным в работе
[Джонсон К., 1989]. При скольжении сектора по породе в зоне контакта
генерируется тепло в виде удельного теплового потока q. Необходимо найти
температуру в полупространстве от теплового источника, движущегося по
поверхности. Если рассматривается стационарный процесс, то удобно
зафиксировать тепловой источник и считать полупространство движущемся со
скоростью V параллельно оси х. При этом, температурное поле становится
функцией положения, а не времени.
Рассмотрим плоскую задачу об источнике тепла при движении штампа
длиной lc по поверхности полупространства (рис. 1).
Рисунок 1 - Схема к расчету температурного поля в полупространстве при нагреве
движущимся штампом с удельной интенсивностью q
Распределённый источник в зоне контакта будем рассматривать как набор
источников интенсивностью q, действующих вдоль прямой.
Элемент материала в точке (x, z) в момент τ был расположен в точке
( ),x V zτ− ⋅ , в предыдущий момент τ τ ′− . Тепло, выделяемое источником в
точке S за время dτ ′ составляет q ds dτ ′⋅ ⋅ . Распределение температуры на
расстоянии R от линейного теплового нагревателя при мгновенном приложении
к границе полупространства распределенных вдоль прямой источников нагрева
интенсивностью Н, определяется уравнением [Джонсон К., 1989].
2
0 exp
2 4
Н RТ Т
aπλτ τ
⎛ ⎞⎛ ⎞− = −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
, (2)
где Т0 -начальная температура полупространства; Н - количество тепла,
выделяющееся на единицу длины; λ - коэффициент теплопроводности
материала полупространства; τ – время воздействия источника тепла; R –
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
86
радиальная координата точки полупространства; а - коэффициент
температуропроводности материала полупространства.
Стационарная температура элемента расположенного в данный момент в
точке х (рис.1) находится интегрированием уравнения (2) от τ = −∞ до
текущего 0τ =
( ) ( )20 22
0
2
, exp
2 4
c
c
l
l
x S V zq dx z dS
a d
τ τ
πλ τ τ
−∞−
⎡ ⎤⎧ ⎫′− − + ′⎪ ⎪⎢ ⎥Θ −Θ = −⎨ ⎬′⎢ ⎥⎪ ⎪⎩ ⎭⎣ ⎦
∫ ∫ , (3)
где λ - коэффициент теплопроводности полупространства; a - коэффициент
температуропроводности полупространства.
Максимальная температура имеет место на поверхности 0z = и может быть
согласно (3) записана в форме
( ) ( )0 1
2
2, ,
сlq
x z F L X
Lλ
⋅
Θ −Θ = ⋅
⋅
, (4)
где
4
сV lL
a
⋅
=
⋅
и
2
V xX
a
⋅
=
⋅
Интегралы (3) были вычислены [Карслоу Г., Егер Д., 1964]. Параметр L,
известный как число Пекле, интерпретируется как отношение скорости
поверхности к скорости диффузии тепла в тело. При больших числах Пекле (L
> 5) тепло диффундирует лишь на небольшое расстояние в тело за время,
которое требуется поверхности для прохождения через нагретую зону. Поток
тепла почти перпендикулярен поверхности во всех точках. Температура точки
поверхности определится выражением:
( ) ( )
1
2
0 1
2
2 2 4 1
2
c
c
q a ql aT T x
Vl
τ
λ ππ λ
⎧ ⎫⎛ ⎞⎪ ⎪− = = +⎨ ⎬⎜ ⎟
⎪ ⎪⎝ ⎠⎩ ⎭
,
2 2
c cl lx− ≤ ≤ , (5)
Средняя температура на поверхности для рассматриваемого источника
определяется выражением
1
20 1
2
2
3
c
ср
qlT Т L
π λ
−
− ≈ ⋅ (6)
Уравнение (5) базируется на представлении об одномерном потоке тепла в
тело, оно приложимо к случаям равномерного распределения источников в
любой плоской области. Средняя температура для распределения источников
по области квадрата со стороной l, также дается формулой (6). А учитывая то,
что при трении штампа о породу эффективная глубина проникновения тепла в
массив происходит очень медленно, можно считать приведенные зависимости
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
87
справедливыми не только для квадрата, а и для любой формы поперечного
сечения.
Зависимость (5) позволяет рассчитать изменение температуры по площадке
нагрева во времени. Она дает возможность определять температуру породы в
набегающей части штампа и сбегающей.
Для подтверждения возможности использования зависимости (5) в
технических расчетах был проведен сравнительный анализ величины нагрева
породы под штампом алмазной коронки, полученной экспериментально в
работе [Кожевников А.А., 1985] и рассчитанной по полученным зависимостям.
При различных режимах проходки алмазными коронками марки О2И4 с
диаметрами 76 и 93 мм, методом срезаемых термопар, встроенных в гранит
были экспериментально измерены температуры поверхности забоя в процессе
бурения. Для этих же режимов была рассчитана температура поверхности
гранита в сбегающей части штампа (сектора) по зависимости (5).
Для расчета были приняты следующие характеристики гранита:
02,4Вт м Сλ =
⋅
- коэффициент теплопроводности;
260,83 ма с
−= -коэффициент температуропроводности.
Характеристики штампов (секторов/) и коронок в целом:
27cl мм= - длина штампа по средней линии для коронки диаметром 76 мм;
34cl мм= - длина штампа по средней линии для коронки диаметром 93 мм;
59внD мм= - внутренний диаметр для коронки 76 мм;
76внD мм= - внутренний диаметр для коронки 93 мм;
67,5срD мм= - средний диаметр для коронки 76 мм;
84,5срD мм= - средний диаметр для коронки 93 мм;
6n = - количество секторов (штампов) в коронках, столько же промывочных
окон;
. . 8п оl мм= - длина промывочного окна.
Удельный тепловой поток, поступающий в породу от коронки при условии,
что вся работа трения преобразуется в тепло, определялась по зависимости
[Шамшев Ф.А., 1983]:
Nq
S
= , (7)
где 410 срN P n D−= ⋅ ⋅ ⋅ , (8)
S - площадь контакта секторов коронки, м2; P - осевое усилие на коронку, даН;
n - частота вращения коронки, мин-1; срD - средний диаметр коронки, м.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
88
Результаты экспериментальных измерений температур в породе при
бурении алмазной коронкой и рассчитанные по зависимости (5) приведены в
таблице 1.
Таблица 1 - Экспериментальные и расчетные значения температур на забое при работе
алмазных коронок.
Температура, К
Д
иа
ме
тр
ко
ро
нк
и,
м
м
О
се
ва
я
на
гр
уз
ка
, д
аН
Ча
ст
от
а
вр
ащ
ен
ия
,
об
/м
ин
Ра
сх
од
оч
ис
тн
ог
о
аг
ен
та
, л
/м
ин
Эксперимент
По
зависимо-
сти (5) А
бс
ол
ю
тн
ое
от
кл
он
ен
ие
(м
од
ул
ь)
, К
О
тн
ос
ит
ел
ьн
ое
от
кл
он
ен
ие
,
(м
од
ул
ь)
, %
76 1000 470
10
20
70
1173
993
743
1100
73
107
357
6,6
9,7
32,0
76 1500 470
10
20
30
1283
1238
1043
1266
17
28
223
1,3
2,2
17,6
76 2000 470
10
20
30
1328
1263
1073
1598
270
335
525
16,8
20,9
32,8
76 1500 277 20 1093 970 123 12,6
93 1500 470
15
25
70
1253
1163
993
1370
117
207
377
8,5
15,1
27,5
Зависимость (5) позволяет определять температуру в зоне контакта при
условии, что трущиеся поверхности – гладкие, и нет разрушения
полупространства при скольжении штампа.
В рассмотренных нами реальных случаях бурения алмазными коронками
условия несколько иные:
а) имеет место разрушение тонкого поверхностного слоя буримой породы;
б) буримая порода и штамп (матрица коронки) имеют определенную
шероховатость.
Рассмотрим, могут ли эти два фактора влиять каким–то образом на
температурный режим в зоне контакта матрицы коронки с забоем.
По первому фактору. Упрощенно процесс бурения алмазными коронками
представляется в виде скалывания мелких частиц породы единичными
алмазами и образования одновременно зоны предразрушения трещинами,
уходящими вглубь массива.
Установлено, что в вершине растущей в твердом теле трещины развиваются
очень высокие локальные температуры. Например, для кварца (одного из
основных породообразующих минералов) температура в вершине растущей
трещины может достигать 4500 К [1]. Другой вопрос, что зона, в которой такая
температура вспыхивает при движении трещины, очень мала, и занимает
область порядка 2·10-12 см3. Учитывая, что бурение алмазными коронками
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
89
является очень мелкофракционным, а плотность трещин предразрушения
достаточно высока, следует ожидать существенных температур в разрушаемом
объеме. В работе [1] дается оценка нагрева разрушаемого слоя породы только
от самого фактора развития трещин в 295 - 926 К. Теплота от процесса
разрушения формируется в глубине тонкого разрушаемого слоя и в процессе
бурения температурный фронт движется впереди забоя, несколько опережая
непосредственно зону контакта. Срезаемая термопара, очевидно, фиксировала
эту температуру непосредственно перед моментом срезания.
Второй фактор - шероховатость взаимодействующих поверхностей.
Известно, что малые начальные отклонения от идеального соответствия
поверхностей приводят к концентрации давления и, следовательно, к
фрикционному тепловыделению на отдельных участках поверхности контакта.
Эти участки располагаются выше уровня окружающей поверхности и
уменьшают область действительного контакта, поэтому локальная температура
повышается ещё больше. Этот процесс назван “ термоупругой
неустойчивостью” [Джонсон К., 1989]. Если проскальзывание продолжается, то
поднятые участки, где концентрируется давление, будут понижаться вследствие
износа, пока контакт не наступит повсюду. Новые контактные участки
начинают нагреваться, расширяются и воспринимают нагрузку, цикл
повторяется. Этот циклический процесс часто наблюдается в контакте
скольжения прилегающих поверхностей. Масштаб нагретых участков велик по
сравнению с масштабом поверхностных шероховатостей и время описанного
цикла в целом велико по сравнению с временем взаимодействия
шероховатостей. В [2] дана оценка наиболее вероятных мест температурных
микровспышек и определена их величина при трении матрицы алмазной
коронки о забой. При алмазном бурении температурные флуктуации
возникают, в основном, на зернах алмазов и оцениваются в 400 - 3650оС, в
очень малой области поверхности самого алмаза. Линейный размер зоны на
поверхности алмазного зерна, в которой наблюдается всплеск температуры,
составляет ≈ 5·10-5 м. Следует отметить, что вспышки эти имеют хаотический
характер и оказывают больше влияния на износ алмазов, чем на общую
тепловую картину в зоне контакта матрицы с забоем. Очевидно, что эти два
фактора, в целом, оказывают влияние на температурный режим бурения в зоне
контакта, и они фиксировались срезаемой термопарой в процессе
экспериментов, однако можно считать, что для приближенных расчетов
тепловыделения в зоне трения штамп - порода можно пользоваться
зависимостью (5).
Сравнение экспериментальных и расчетных результатов по таблице
показывает, что с уменьшением интенсивности промывки скважин значения
расчетных температур приближается к экспериментальным значениям. И это –
неудивительно, так как расчетная зависимость (5) не предусматривает какого-
либо охлаждения, как полупространства, так и штампа.
Следует отметить, что полученная зависимость (5) справедлива для малых
времен взаимодействия штампа и породы (доли секунды - секунды), так как она
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
90
не учитывает вероятность нагрева самого штампа. Однако она даёт
возможность надежно определить момент времени, когда в зоне контакта пары:
штамп - порода, наступает критическое состояние (плавление породы или
материала штампа).
Таким образом, полученные зависимости позволяют нам рассчитывать
любые элементы трения о забой и стенки скважины при проектировании
технологических процессов и рабочих органов, реализующих в скважинах
термоциклическое растрескивание и разупрочнение породы (вплоть до
плавления) с предварительным нагревом породы трением.
_________________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кожевников, А.А. Теплота трещинообразования при алмазном бурении. / А.А. Кожевников,
Ю.Н. Вахалин // Матерiали мiжнародної конференцiї «Форум гiрникiв-2011» 13-16 жовтня 2011. –
Днепропетровск: НГУ, 2011. – С. 72-75.
2. Анализ термического воздействия на горную породу при бурении алмазными коронками. / А.А.
Кожевников, Ю.Н. Вахалин, А.Ю. Дреус, О.В. Ливак // Форум гiрникiв. Матерiали мiжнародної
науково-технiчної конференцiї. 30 вересня - 03 жовтня 2015. – Днiпропетровськ: НГУ, 2015. – С. 21-
25.
REFERENCES
1. Kozhevnikov, A.A. and Vakhalin, Yu. N. (2011), «Heat of crack formation in diamond drilling»,
Materialy Mizhnarodnoi konferentsii «Forum Girnykiv-2011» 13-16 zhovtnya 2011. [Materials of the
International Conference "Forum Girnikiv-2011" 13-16 October 2011], Dnepropetrovsk, UA, pp. 72-75.
2. Kozhevnikov, AA, Vakhalin, Yu.N., Dreus, A.Yu. and Livak, O. V. (2015), [Analysis of the thermal
impact on rock during drilling with diamond crowns], Materialy Mizhnarodnoi konferentsii «Forum
Girnykiv-2015» 30 sentyabrya – 3 oktyabrya 2015. [Materials of the International Conference "Forum
Girnikiv-2015" 30 september - -03 October 2015], Dnepropetrovsk, UA, pp. 21-25.
_________________________________
Об авторах
Ганкевич Валентин Феодосиевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры горных
машин, Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет» (ГВУЗ
«НГУ»), Днепр, Украина,
Кравец Василий Иванович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой приклад-
ной механики, Государственное высшее учебное заведение «Украинский государственный химико-
технологический университет» (ГВУЗ «УГХТУ»), Днепр, Украина,
Ливак Оксана Викторовна, магистр, ассистент кафедры прикладной механики, Государственное
высшее учебное заведение «Украинский государственный химико-технологический университет»
(ГВУЗ «УГХТУ»), Днепр, Украина, Roxiki@i.ua.
About the authors
Gankevich Valentin Feodosiyevich, Candidate of Technicsl Sciences (Ph.D.), Associate Professor,
Assocsate Professor in the Department of Mine Machines of the State Higher Educational Institution
«National Mining Univercity» (SHEI «NMU»), Dnepr, Ukraine,
Kravets Vasiliy Ivanovich, Candidate of Technicsl Sciences (Ph.D.), Associate Professor, Head of the
Department of Applied Mechanics of the State Higher Educational Institution «Ukrainian State Univercity of
Chemical Technology» (SHEI «USUChT»), Dnepr, Ukraine,
Livak Oksana Viktorovna, Master of Science, Assistant of the Department of Applied Mechanics of the
State Higher Educational Institution «Ukrainian State Univercity of Chemical Technology» (SHEI
«USUChT»), Dnepr, Ukraine, Roxiki@i.ua.
______________________________________
Анотація. У статті розглянуто задачу нагрівання поверхні півпростору гірської породи в
зоні контакту, коли по ній рухається плоский навантажений штамп, для підготовки до
термоциклічного руйнування. Отримано аналітичні залежності температури нагрівання
гірської породи від навантажень на штамп і швидкості його ковзання. Проведене порівняння
аналітичних залежностей одержуваних температур з експериментальними даними показує,
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2017. № 135
91
що із зменшенням інтенсивності промивання свердловин значення розрахункових тем-
ператур наближаються до експериментальних, оскільки розрахункова залежність не
передбачає якого-небудь охолоджування як напівпростору, так і штампу. Одержані
залежності дозволяють розраховувати будь-які елементи тертя об забій і стінки свердловини
при проектуванні технологічних процесів і робочих органів, що реалізовують у свердловинах
термоциклічне розтріскування і розуміцнювання породи (аж до плавлення) з попереднім
нагріванням породи тертям.
Ключові слова: гірська порода, термічне руйнування, буріння, тертя
Annotation. Problem of rock half-space surface heating in the contact area when a flat loaded
stamp moves along it for preparing for the thermal cyclic destruction is considered. Analytical
dependencies between the rock heating and stamp loading and its sliding velocity are obtained.
Comparison of analytical dependences of the obtained temperatures with experimental data shows
an appropriate correlation between them in case of decreased intensity of bore washing. This
happens because the calculated dependence does not ensure any cooling of both the half-space and
the die. The obtained dependencies allow calculating any elements of friction against the borehole
bottom and walls while designing technological processes and working parts for thermal-cyclical
cracking and disintegration of rocks in the boreholes with rock preheating by friction.
Keywords: rock, thermal destruction, drilling, friction
Статья поступила в редакцию 22.08.2017
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук Л.М. Васильевым
Sb 135.pdf
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
REFERENCES
УДК 622.349.5.002.68:622.8
Рекомендовано к печати д-ром техн. наук Б.А. БлюссомУДК 622.7.069.002.5:[621.796:622.002.68].001.24
ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ОБЛАДНАННЯ
PARAMETERS JUSTIFICATION AND CALCULATION FOR SEPARATOR DIVIDING WASHERY REFUSES INTO STREAMS WITH DIFFERENT CONCENTRATION
_______________________________________________________
Обоснование методов и алгоритмов оценки геомеханической безопасности ведения горных работ
|