Алмазды таужыныстарды бзушы ралмен брылау кезінде температуралы факторды маызы

Жаа техникалы ралдарды жне ымаларды брылау технологияларыны (саалмазды брылау ралы, жоары жылдамдылыты брылау станоктары, забойды тазалау шін газ тріздес агенттерді, атпайтын сйытытарды, полимерлі жне аэрацияланан ерітінділерді, тратандырыш кпіршіктерді олдану жне т.б.) дамуымен, брылау рдістерін негіздеумен, забойда жзеге асырылатын уаттылы пен барлау ымаларды тередігініи жоарлауымен байланысты замануи жадайларда температуралы фактор лкен маыза ие болып келеді.

Брылау алмаздарыны 650 °С дейін ызуы оны кескіштерді жонуына, ал 800 °С жне одна да жоары ызан кезінде таужыныстарды бзушы ралды матрицасынан алмазды тйірлерді жарылуы жне тсіп алуына келетіні, алмаздарды 600 °С дейін ызан кезінде оларды микроаттылыы 30%, ал 1000 °С дейін ызан кезінде 60% тмендейтіні длелденген. Бл алмазды коронкаларды алдын-ала стен шыуына, яни брылау жмыстарды ымбаттауына келеді. Брылау ралы жмысыны алыпты температуралы режиміні бзылуы апатты жадайлара келеді – алмазды коронканы жанып кетуі, оны жою шін апата кететін жалпы уаыт шыынан Мингео РСФСР он дірістік-геологиялы йымдарды мліметтері бойынша уаыт шыыны 8,74 % (1980 ж.) жне 4,57 % (1984 ж.) райды, ал жеке ПГО ол 10-11% дейін жетеді.

Температуралы факторды маызы тмен жылу сыйымдылыты жне тмен жылуткізгішті тазалаыш агенттермен (сыылан уамен, аэрацияланан жуу сйытыымен, кпіршіктермен) алмазды брылау кезінде біршама жоары. Температуралы фактор тазалаыш агентті жтылу немесе ыманы шламдану жадайларында форсирленген режимде сйытыты жуумен брылау кезінде де орын алады.

Алмазды таужыныстарды бзушы ралды температуралы режимін зерттеуді заманауи кйі.

Брыланып жатан ымаларды жылулы режимін болжау жне реттеу мселелеріне кптеген отанды жне шетелдік зерттеулер арналан. Таужыныстарды бзушы ралды температуралы режимін брылау тжірибесіне жаа тазалаыш агентті – сыылан ауаны енгізумен байланысты зерттей бастады, себебі оны кез келген жуу сйытыымен салыстыранда тмен массалы шыынына жне тмен жылусыйымдылыына байланысты ыма забойында ралды жмысы кезінде оны суытылуы нашарлайды.

Брылау кезінде таужыныстарды бзушы ралды ыма забойында байланысу жерінде температураны жоарлауы механикалы энергияны жылулы энергияа айналуымен байланысты. Механикалы брылау кезінде таужыныстарды бзылуды физикалы к.п.д., Л.А. Шрейер мліметтері бойынша 0,01% ана райды. Забойда шыарылан барлы механикалы энергия жылу трінде таралады. Забойда пайда болан жылу таужыныстарды бзушы ралды денесіне жне жартылау таужыныстара енеді. Тазалаыш агент ралды жуа отырып, конвективті жылу алмасу нтижесінде келіп жатан жылуды шыарады. Брылау басталаннан кейін уаыт бірлігінде келетін жне суытылан ортамен суытылатын жылуды млшері теесіп, ралды денесінде траты температуралы ріс алыптасады. ыма забойында барлы зерттеушілермен олданатын жылуалмасу рдісіні е тараан жалпы слбасы осы.

азіргі уатта алмазды таужыныстарды бзушы ралды температуралы режимі туралы мселені шешу жадайлары сынылан. Біреулері аналитикалы сипата ие болса, екіншілері эмпирикалы болып, эксперименталды мліметтерді статикалы деу нтижелеріне негізделген.

Алаш рет жмыс істеп тран брылау ралды температуралы режимі туралы мселені шешімін Б:Б. кудряшов тапан. Негізінен, аналитикалы трыдан жуу немесе рлеу арылы брылау кезінде саиналы коронкаларды жылу температурасын есептеу шін формула шыарылан:

 

(13.1)

мндаы – шеткі блігіндегі орташаландырылан температура трінде берілген коронка шетіні температурасы, °С; N – забойда шыып жатан уаттылы, Вт; - коронка материалыны жылу ткізгіштігі, Вт/( м-°С); , D₂ – коронканы сырты жне ішкі диаметрлері, м; , - коронканы ішкі жне сырты беттерінде жылу беру крсеткіштері, Вт/(м²-°С); G – тазалаыш агентті массалы шыыны, кг/с; с_р – тазалаыш агентті меншікті массалы жылу сыйымдылыы (ауа шін – траты ысым кезінде), Дж/(кг-°С); - забойда брылау кезінде тазалаыш агентті температурасы, °С; k_H – жылу аыстарыны таралу сипатына байланысты болатын коронканы шексіз жылу крсеткіші.

(13.1) формуласын шыару кезінде колонкалы быры бар алмазды коронка шамамен жартылай шектелген бос цилиндр трінде арастырылан. Матрица жне коронка корпусыныжылу физикалы асиеттері арасындаы жылу йизикалы асиеттер айырмашылыы, сонымен атар брылау алмаздарды геометриялы жне жылуфизикалы параметрлерді сері ескерілмеген. Сонымен атар, алаш рет забойлы уаттылыты, материалды жылу-физикалы асиеттері, тазалаыш агентті асиеттері жне жуу режиміні, ралды негізгі геометриялы лшемдері жне брылау коронканы температурасына тазалаыш агентті алашы температурасы шешуші сері крсетілді. Таужыныстарды бзушы ралды температуралы режиміні алыптасуыны негізгі жолдары берілді. Алан нтижелер Л.К. Горшков, О.В. Зорэ, А.В. Касаточкин, П.Н. Курочкин жне т.б. кейнгі зерттеулеріне негіз болды.

П.Н. Курочкин жаа брылау ралын конструкциялау кезінде серін ескеру жне брылау кезінде забойда таужыныстарды бзылуымен байланысты мселелерді шешу масатында ыма забойында жне коронкада пайда болатын температураны зерттеген. Л.А. Алекссева жне М.Л. Беркович, А.А. Афанасьева, В.П. Черняк, Е.Г. Гречина, С.Г. Агаева жне Т.Г. Фараджиев зерттеулері мнай жне газ ымаларын брылау кезінде таужыныстарды бзушы ралды жмысыны температуралы режиміне арналан. Кптеген авторлар инженерлік есептеулерде олдану крделі болатын крделі математикалы лгілерді сынан. Сонымен атар брылау алмаздардаы жылу рдістері ескерілмеген.

А.М. Абдуладзе алмазды ашаулар жне нтатаушы-кескіш типтегі коронкаларады жмысы кезінде температуралы режимін зерттей отырып, таужыныстарды бзушы ралды жмыс бетіні температурасын есептеу шін формуланы алан:

 

, (13.2)

 

мндаы – таужыныстара ралды йкелісу крсеткіші; п – брылау снарядыны айналу жиілігі, айн/мин; Р – таужыныстарды бзушы рала сер ететін остік жктеме, Н; R, r – рал матрицасыны ішкі жне сырты радиустары, м; , – коронка сті жйесіні сырты жне ішкі радиустары, м; - коронка сті жйесіні жылу ткізгіштік крсеткіші, Вт/(мХ Х°С); /_Ср – тазалаыш агентті орташа температурасы, °С; а_н, а_в – тазалаыш агентке коронка сті жйесіні сырты жне ішкі бетінен жылу беру крсеткіштері, Вт/(м-°С); - брыланып жатан таужыныстарды жылуткізгіштік крсеткіші, Вт/(м-°С); t_n – брыланып жатан таужыныстарды температурасы, °С.

Б.Б. Кудряшов сияты, А.М. Абдуладзе ралды сырты жне ішкі беттерінде жылу беру крсеткіштеріні айырмашылыын, коронка жне таужыныстарды жылуткізгіштік крсеткішін ескере отырып, оны остік жктеме, брылау снарядыны айналу жиілігі жне ралды таужыныстара йкелісу крсеткіші арылы береді. Автор матрица жне коронка сті жйесіні геометриялы лшемдерін жеке арастырады. Тазалаыш агентті орташа температурасын А.М. Абдуладзе брылау рдісінде оны ыма бойынша таралуын ескермей, оны траты деп алады, ал бл баса зерттеушілерді мліметтерімен сйкес келмейді.

Б.В. Захарьев алмазды кескіш шеттеріні жылу абылдау температурасын есептеу шін формуланы сынып отыр. Бірінші рет коронканы денесінде, сонымен атар брылау алмаздарда орын алатын жылу рдістеріні сипатын крсететін туелділік алынан. Автор алмазды, корпус материалыны, сонымен атар колонкалы бырды (біра ол ыма забойында жылу алмасу рдісіне атыпсайды, себебі оймалы осындылардаы саылаулар біршама термокедергі болып келеді) жылуфизикалы асиеттерін ескеріп, біра коронкаа келетін жылуды штен екі блігін айтаратынбетінен коронка матрицасыны параметрлерін арастырмайды. Таужыныстарды бзушы рала келетін жылуды млшерін анытау шін И.В. Крагельский бойынша жылу абылдау крсеткіші олданады, ал оны брылау рал шін ателігін Б.Б. Кудряшов жне Н.Д. Михайлов анытаан.

Коронканы температуралы режимін анытайтын жеке факторларды серін баалай отырып, ыма забойында алмазды коронканы жмысы кезінде онда тетін жылу рдістерін толы зерттелуі Л.К. Горшков жзеге асыран. ртрлі пішінді брылау алмаздарды жылу абылдау жне суытылу жадайларын зерттеп алмазды кесуші шеттеріні ызу температурасын анытайтын формуласын анытаан:

(13.3)

мндаы N – забойда олданатын уаттылы, Вт; , , – забой таужыныстарымен сйкесінше коронкалы саинаны, матрицаны жне брылау алмаздарды байланысу орындарында оларды клдене имасыны ауданы, м²; , , - сйкесінше алмаздарды, матрица материалыны жне коронка корпусыны жылу ткізу крсеткіштері, Вт/(м-°С); - матрицаны жоары шекарасы мен шетіні температураларыны атынасын крсететін жне матрица биіктігі бойынша температураны згеруін ескеретін шексіз крсеткіш; , h – сйкесінше клемді алмаздарды шыуы жне коронка матрицасыны биіктігі, м; G – тазалаыш агентті массалы шыыны, кг/с; с_р – тазалаыш агентті меншікті жылу сйымдылыы (сыылан ауа шін – траты ысым кезінде), Дж/(кг-°С); г₀ – кинетикалы энергияны жылу энергиясына айналу дрежесін крсететін температураны алпына келуді шексіз крсеткіші; w – коронка белдемінде тазалаыш агентті озалу жылдамдыы, м/с; g – еркін лауды деуі, м²/с; t₀ – арна абыраларынан алша жерде тазалаыш агентті температурасы (аыс ядросында), °С; т, п, р – ысартушы мндер.

Л.К. Горшков алаш рет алмазды коронканы жылу физикалы асиеттері бойынша ш ртрлі сатылардан: сйкесінше арасында жасы жылулы байланыстары бар брылау алмаздан, матрицадан жне коронкалы саинадан ралан бос цилиндр ретінде арастыран. Ол алан аналитикалы туелділіктер алмазды коронканы температуралы режимін анытайтын конструкциялы, жылуфизикалы жне технологиялы факторларды біршама блігін ескереді. Біра коронкалы саинаны биіктігі секілді маызды конструкциялы факторды сері ескерілмеген. Алмазды коронканы барлы беті шін мні бойынша жылу беру крсеткіші траты деген пікірмен келісуге болмайды, себебі ол таужыныстарды бзушы ралды конструкциялы параметрлеріні жне саиналы арнада тазалаыш агентті озалу режиміні функциясы болып келеді.

Эксперименталды зерттеулер санынан П.Н. Курочкинні жмыстары біршама ызыушылыа ие, олар бір алмазды жне коронка матрицасыны температуралы режимін зерттеуге арналан, негізгі сыныстар расталан, оларды негізінде ертеде брылау ралыны температуралы режиміні аналитикалы сипаттамасы жасалан, суытатын сйытыпен (су, эмульсия) брылау кезінде жылулы баланс жмыс басталаннан 2-5 с кейін аныталады, жуу сйытыына забойда шыатын жне таужыныстарды бзушы рала келетін жылуды 85-99% беріледі жне т.б.

Сонымен атар, біратар жаа орытындылар берілген: контанк маы белдемде температураны тмендеуі біршама бседеу, осыны нтижесінде жоары температуралар алмазды 0,2-0,3 радиус тередігінде саталуы ммкін; кескішті температурасына алмаза тсетін жктеме (кескіш тередігі) жне таужыныстарды аттылыы сер етеді; рала айналу жиілігіні жоарлауына араанда остік жктемені жоарлауы коронка температурасыны су арындылыына келеді; айналу жиілігі жоарлаан кезінде жктемеден температураны су арындылыы тмендейді; забой бетіні температурасы бір секундта коронканы айналу жиілігні оны сектор саныны туындысына те жиілікпен згереді жне коронка секторын ткен кезінде ол жоары мніне, ал жуу арнасын ткен кезінде тменгі мніне те болады.

Таужыныстарды бзушы ралды жанып кетуін зерттеу кезінде брылануы бойынша тмен дрежелі таужыныстарда забойды сйытыты тазалаумен ткен кезінде шламны біршама млшері пайда болады, ал ол коронканы «ра» жонуына келеді. Брылануы бойынша жоары дрежелі таужыныстарды брылау кезінде матрицаны температурасы матрица рамындаы жеке материалдарды балу нктесіне дейін ктерілуі ммкін. ралды шетіне тазалаыш агентті келуі толы тотааннан кейін алмазды коронкаларды арынды жылулы тозуы байалады.

Сонымен атар, аналитикалы есептерде олданатын ателіктерді растыын длелдейтін алмазды коронка денесінде температураны анытау бойынша Б.В. Захарьев пен Л.К. Горшков эксперименталды жмыстарын атап ткеніміз дрыс.

атты оспалы коронкалармен брылау кезінде кескіш-таужыныс байоаныс жеріндегі жылулы былыстарын зерттеуге В.Д. Ларионо пен Ю.В. Кошелев жмыстары арналан. Суыту ортасы ретінде суды олданан кезінде забойдаы байланысу температурасы 20-50 л/мин шыындары кезінде траты жне шыын 3 л/мин дейін тмендеген кезінде кенет жоарлайды. Забойда байланысу температурасыны, осыны нтижесінде айналу жиілігі мен остік жктемені згеруі немесе тазалаыш агентті аситеттерін жне циркуляция режиміні тиімді мндері кезінде коронка матрицасыны тозу арындылыыны тмендеу ммкіндігі туралы Б.Б. Кудряшов пен Л.К. Горшков орытындылары расталан.

Забойды сйытыпен жне сыылан ауамен тазалау арылы мнай, газ ымаларын жне шпурларды брылау кезінде олданатын таужыныстарды бзушы ралды температуралы режимін эксперименталды зерттеу бойынша М.Р. Мавлбтов пен М.Г. Крапивин жмыстары белгілі.

Алмазды брылау кезінде жоары байланысу температураларды серін зерттеуге С.А. Волков, Н.В. Соловьев, В.К. Володченко жмыстары біршама лес осан, олар остік жктеме, снарядты айналу жиілігі, тазалаыш агентті шыыны, клемдік алмаздарды тйірлігі жне оларды коронка матрицасында орналасуы, тйірлігі 15 мы дана/карат дейінгі шлифонтаты табии алмаздармен жабдыталуы жне т.б. сияты параметрлерді зара байланысуын крсеткен.

Теориялы пен эксперименталды зерттеулермен бірге жоары байланысу температураларын тмендету жолдары да ізделген: суытылан тазалаыш агенттерді олдану, ралдарды, оны суыту шін арнайы ралдарды жаа конструкцияларын шыару, сонымен атар таужыныстарды бзушы ралды температуралы режимін алпына келтіру критерийларын іздеу. Л.К. Горшков брылау кезінде таужыныстарды бзушы ралды жылуэнергетикалы сипаттамасы ретінде меншікті забойлы уаттылыты олдануды сынан. Алмазды брылауды технологиясын жобалау кезінде берілген мнді ескеру алмазды рал жмысыны алыпты жылу режимі амтамасыз етілетін забойлы уаттылы шегіндегі брылау режиміні параметрлерін дрыс тадау сер етеді. «Кристенсен» фирмасыны зерттеулерімен забойлы уаттылыты шектік мндеріні бары аныталан [11].