Актуальность работы. Природный камень как строительный и декоративный материал широко применяется с древних веков и до наших дней, являясь символом долговечности, стабильности и престижа. Сооружения и изделия из камня проходят через всю историю цивилизации, донося до нас частицы жизни минувших поколений. Жилища и крепости, замки и храмы, мостовые и пирамиды, статуи и барельефы — все это постройки из камня.
Природный камень всегда использовался как строительный и отделочный материал благодаря своим уникальным свойствам — прочности, долговечности, стойкости к воздействиям окружающей среды [77]. За счет высоких показателей по морозостойкости, истираемости и водопоглощению камень имеет повышенную устойчивость к влиянию механических и физических факторов. Этот материал способен длительное время сопротивляться атмосферным воздействиям, сохраняя при этом первоначальные свойства и внешний вид.
Первые признаки разрушения мягких пород камня [64, 7] (известняки, цветные мраморы, гипс и туф) проявляются только через 25−50 леттвердые породы (граниты, габбро, лабрадориты) остаются неизменными на протяжении многих веков. Во внутренней отделке зданий и сооружений, где поддерживаются относительно постоянные значения температуры и влажности, камень служит еще дольше. Долговечность также зависит от вида обработки поверхности камня [6, 8, 47, 66]. Особенно усиливает ее полированная фактура, так как на такой поверхности не задерживаются агрессивные вещества.
Ни один другой материал не имеет такого разнообразия структуры, цвета, узора. Каждый кусок камня имеет свою неповторимую индивидуальность, а при умелой обработке может стать настоящим произведением искусства. Камнем отделывают внешние и внутренние стены зданий, полы, ступени, колонны, камины. Из него изготавливают различные детали интерьера подоконники, плинтуса, перила, балясины, столешницы для мебели, мозаичные панно.
Современное камнеобрабатывающее оборудование позволяет создать из камня изделия любой сложности и конфигурации. Сегодня рынок предлагает большое количество искусственных и синтетических материалов, однако никакая синтетика не заменит прочный, долговечный с неповторимыми природными узорами каменный материал.
Россия и государства СНГ по запасам ценного природного камня, его разнообразию и декоративным свойствам занимают доминирующее положение в мире.
По состоянию на 1990 г. балансом запасов природных камней в нашей стране учтено более четырехсот месторождений [5]. Каменное сырье представлено породами различного генетического типа, но больше всего разведано месторождений мрамора и гранита. Новые месторождения выявляются и разведаются не только в таких традиционных районах, как Урал, Украина, Карелия, но и в Забайкалье, Приморье, Западной Сибири, Узбекистане, Киргизии, Казахстане.
В последнее время достигнуты большие успехи в разведке новых месторождений природного камня, росте добычи блоков и их переработке на облицовочные и архитектурно-строительные изделия. Ежегодно в стране добывается более 0,8 млн. м3 облицовочной и архитектурно-строительной продукции. Камнедобывающая и камнеобрабатывающая отрасли промышленности развиваются высокими темпами.
В настоящее время потребность народного хозяйства в продукции и архитектурных изделиях из природного камня удовлетворяется лишь на 3040%, а в продукции из высокопрочных пород всего на 10−12% [34]. За последние годы в развитии промышленности по добыче и обработке материалов из природного камня проявились и негативные стороны, связанные с необоснованным расширением камнеобрабатывающего производства без достаточного развития добывающей промышленности. Ощущается дефицит блоков из природного камня, и в первую очередь, из высокопрочных пород. Многие отрасли промышленности, и особенно бумажная промышленность, испытывают большие затруднения в работе из-за отсутствия прессовых валов и других технических изделий из гранита, для производства которых нет достаточного количества добываемого высокопрочного каменного сырья. Темпы роста объемов добычи блоков из мягких и средней прочности пород более высокие, по сравнению с этими показателями на карьерах по добыче блоков из высокопрочных пород.
Актуальнейшей проблемой является увеличение изготовления полированных изделий из камня, главным образом, за счет рациональной добычи и обработки блоков.
Развитие и освоение новых методов добычи и обработки природного камня позволило существенно расширить области его применения и снизить стоимость работ с его использованием, однако, существующая технология отработки открытых карьеров каменного сырья основана на блочной технологии отделения камня от массива и не зависит от целей дальнейшего использования блока и будущего изделия [35, 36]. Отделение призматических блоков от массива чаще всего осуществляется взрывным методом или методом бурения шпуров с последующим откалыванием блока с помощью гидравлического клина [4]. Это не отвечает рациональному и экономичному отношению к невосполнимым природным ресурсам, так как большая часть сырья в таком случае теряется в виде отходов производства. Использование взрывчатых веществ при добыче блоков приводит к появлению в блоке сети мелких трещин, которые впоследствии значительно снижают срок службы получаемых изделии. Тем не менее, появляются новые современные способы отделения блоков от массива невзрывчатыми разрушающими средствами, такими, как камнерезные карьерные машины и алмазно-канатные пилы, используются гидроклиновые машины и гидродомкраты новых конструкций.
Для обработки блоков и придания им необходимой формы используются термогазоструйные машины и инструменты для резания камня. Однако, качество добываемых блоков в части соблюдения их формы, размеров, и монолитности камня не всегда удовлетворительное. Это значительно снижает эффективность производства, увеличивает материалоемкость и стоимость выпускаемой продукции.
При обработке блоков из природного камня значительная часть сырья теряется в виде отходов производства. По различным оценкам, эти отходы составляют от 15 до 40% [5]. Особенно большие потери происходят при изготовлении из камня изделий цилиндрической формы. Эти потери составляют 67−79% в зависимости от диаметра заготовок [48, 61].
Существующие методы добычи и обработки камня не в полной мере отвечают рациональному использованию невосполнимых природных ресурсов.
Значительно сократить расход каменного сырья при изготовлении изделий цилиндрической формы позволяет технология, использующая буровые установки и алмазный породоразрушающий инструмент для выбуривания из блоков камня цилиндрических заготовок [26, 50]. Значительных успехов в изготовлении гранитных валов для прессовой части бумагоделательных машин методом выбуривания добились специалисты бывшего Всероссийского научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР) и Центрального научно-исследовательского института бумажного машиностроения (ЦНИИ БумМАШ).
По сути, выбуривание — это новый метод отработки каменного сырья с возможностью доведения его до стадии технической продукции, удовлетворяющей определенным техническим требованиям.
Исследованием проблем выбуривания цилиндрических изделий из камня в разное время занимались следующие специалисты: И. Н. Андрианов, А. Г. Андреев, И. С. Афанасьев, Н. Т. Бакка, Ю. Е. Будюков, С. Г. Волосюк, Ю. Г. Карасев, А. И Колсанов, Н. И. Корнилов, А. И. Кукес, Е. П. Морозик, Ю.Д.
Мураев, В. П. Онищин, Ю. А. Оношко, А. И. Осецкий, В. А. Падуков, Ю. М. Поздняков, В. И. Сазыкин, В. И. Сидорко, В. В. Скрябин, И. Г. Шелковников и другие.
Целью 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 разностенность 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:
1. При эксплуатации коаксиальных колонковых наборов для своевременного удаления продуктов разрушения породы необходимо разделение входящего потока промывочной жидкости на параллельные потоки, направляемые отдельно под каждый породоразрушающий инструмент с возможностью последующего объединения их на выходе.
2. 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.
3. 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 П1-ей Международной научно-технической конференции НГУ «Эпштейновские 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, четырех 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.
Выводы по главе 4.
1. Промышленное освоение техники и технологии выбуривания цилиндрических изделий из блоков камня позволяет получить выход готовой продукции 81−91% в зависимости от диаметра изделия, вместо 20−42% при существующем способе изготовления, чем резко сократит^ количество потребляемого каменного сырья и отходы производства.
2. Выбуривание позволяет значительно сократить расходы по добыче, транспортировке, обработке камня, утилизации отходов, исключает социально-вредные технологические операции, такие как термоструйная обработка и шарошение.
3. Использование алмазного породоразрушающего инструмента позволяет повысить качество продукции за счет исключения трещеноватых зон, вызванных ударными и термическими воздействиями при традиционном способе производства, которые снижают прочность и срок службы изделий.
4. Коаксиальное колонковое выбуривание оболочек позволяет довести выход готовой продукции до значений, превышающих расход каменного сырья, так как суммарный объем получаемых изделий превосходит изначальный. При этом расходуется в 2−3 раза меньше каменного сырья, чем при производстве эквивалентных изделий равного размера и диаметра традиционным способом.
5. Способ выбуривания может быть предложен для отработки карьеров по добыче каменного сырья.
6. Выбуривание непосредственно на карьере позволит отказаться, где позволяют геолого-технические условия, от проведения вскрышных работ и позволит проводить добычу камня вне зависимости от наличия бортов карьера. После проведения работ по выбуриванию пробуренные скважины могут быть заполнены экологически чистым природным материалом, таким как щебень и песок, что позволит сохранить природный ландшафт и экологическое равновесие.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведенные теоретические исследования и экспериментальные работы позволили сделать следующие выводы:
1. Исследованы гидравлические характеристики коаксиальных колонковых наборов при прямоточной циркуляции промывочной жидкости с разделением входящего потока на несколько параллельных потоков для обеспечения более эффективного удаления продуктов разрушения.
2. Составлено уравнение потерь напора промывочной жидкости в коаксиальном колонковом наборе, даны рекомендации по их расчету в зависимости от количества колонковых труб.
3. Проведены теоретические исследования мощности при выбуривании коаксиальными колонковыми наборами, дана формула для ее расчета.
4. Рассмотрены различные схемы подрезки выбуренных оболочек в массиве горных пород, сделан вывод о возможности подрезки оболочек резцами с равнопрочным профилем, имеющими вид логарифмической спирали.
5. При помощи чертежной программы «КОМПАС 3D 5.11.» определены параметры резцов и толщин подрезаемых оболочек. Сделан вывод о целесообразности подрезки тонкостенных оболочек резцами с равнопрочной поверхностью, имеющей форму логарифмической спирали с угловой константой, а близкой к 80°, что позволяет на 14,5−27,1% уменьшить длину поверхности, армируемой алмазами, по сравнению с резцами, имеющими другие значения угловой константы.
6. Разработан экспериментальный стенд для выбуривания цилиндрических оболочек из камня, изготовлен макетный образец коаксиального колонкового набора НКК-3(132) и полный комплект конструкторской документации.
7. Проведены экспериментальные исследования по выбуриванию оболочек из мрамора и гранита. Определены зависимости чистоты наружной поверхности, прямолинейности и разностенности оболочек от режимов выбуривания и видов каменного сырья. Установлена возможность получения оболочек с высокой (до V класса) чистотой наружной поверхности, незначительной разностенностью и высокой прямолинейностью.
8. Коаксиальное выбуривание оболочек позволяет увеличить выход готовой продукции до 48% и сократить количество каменного сырья в 2,5−3 раза по сравнению с традиционным способом их изготовления.
