Введение к работе
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 каменн
использованием
РОС НАЦИОНАЛ).МАЯ БИБЛИОТЕКА С.Пете OS WO*
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. Онищин, Ю.А. Оношко, А.И. Осецкий, ЮМ. Поздняков, ВИ. 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:
-
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.
-
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.
-
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.