Обоснование технических и технологических решений при создании термостойких резцов для бурения шпуров и совершенствование методов их испытаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Корнеев Виктор Александрович

• Корнеев Виктор Александрович
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Корнеев Виктор Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ физико-механических свойств горных пород с позиций их влияния на процесс бурения вращательным способом

1.2 Обоснование необходимости определения прочности горных пород в натурных условиях при испытании буровых резцов

1.3 Анализ существующих экспресс-методов определения прочности горных пород

1.4 Ретроспективный анализ развития конструкций резцов для вращательного бурения шпуров

1.5 Цель и задачи исследований

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЭКСПРЕСС-МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАССИВА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИСПЫТАНИЙ БУРОВЫХ РЕЗЦОВ

2.1 Разработка конструкции и изготовление устройства для контактного разрушения горной породы в скважинах индентором

2.2 Апробация разработанного устройства для контактного разрушения горной породы в скважинах

2.3 Разработка экспресс-метода определения прочности горных пород

2.4 Разработка конструкции многофункциональной буровой машины, обеспечивающей определение прочности горных пород в массиве в автоматическом

режиме

В ы в о д ы

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ И ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ БУРОВЫХ РЕЗЦОВ

3.1 Устройство и характеристики лабораторного оборудования для испытаний корпусов экспериментальных конструкций буровых резцов и определения механических свойств паяного соединения

3.2 Разработка лабораторного стенда для исследования вращательного бурения шпуров

3.3 Исследование скорости бурения и ресурса наиболее распространенных серийных буровых резцов

3.4 Исследование влияния способа очистки шпура на скорость и ресурс буровых резцов, армированных сверхтвердыми композиционными материалами

3.5 Программа и методика стендовых и производственных испытаний экспериментальной партии буровых резцов

В ы в о д ы

ГЛАВА 4 ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ БУРОВЫХ РЕЗЦОВ

4.1 Выбор сверхтвердого композита для армирования режущих вставок экспериментальных буровых резцов

4.2 Определение максимальной температуры нагрева лезвия и паяного шва между режущей вставкой и державкой при работе бурового резца

4.3 Исследование прочности корпусов серийного инструмента отечественных и зарубежных производителей

4.4 Оптимизация геометрии и испытание корпусов для разработанных экспериментальных конструкций буровых резцов

4.5 Разработка лабораторного технологического регламента изготовления комбинированного инструмента с армирующими вставками из сверхтвердых композиционных материалов

4.6 Изготовление экспериментальных конструкций буровых резцов

4.7 Исследование разработанных экспериментальных конструкций буровых резцов

4.8 Сравнительная оценка отношения себестоимости буровых резцов к их ресурсу для инструмента, армированного твердым сплавом и сверхтвердыми

композиционными материалами на основе кубического нитрида бора и технического алмаза

В ы в о д ы

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ БУРОВЫХ РЕЗЦОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1 Обоснование конструктивных параметров лезвий буровых резцов для повышения скорости бурения шпуров

5.2 Разработка конструкций комбинированных лезвий буровых резцов, обеспечивающих прочность режущих вставок и экономию армирующего материала188

5.3 Перспективы применения бурового инструмента, армированного кубическим нитридом бора, и разработанного экспресс-метода определения прочности

горных пород для вскрытия лавовых трубок на Луне

В ы в о д ы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт апробации экспресс-метода определения прочности горных пород, разработанного Корнеевым Виктором Александровичем, в

условиях ООО «Абаканский рудник»

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Отчет о геологоразведочных работах, проведенных на

Абаканском месторождении

ПРИЛОЖЕНИЕ В Протокол лабораторных испытаний образцов горной породы с Абаканского железорудного месторождения ООО «Абаканский

рудник»

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Отзыв ООО «Горный инструмент» на устройство для определения физико-механических свойств горных пород «Прочностномер

ПСШ-1»

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Отзыв компании Europejska Grupa Innowacyjna Sp. z.o.o. на устройство для определения физико-механических свойств горных пород «Прочностномер ПСШ-1»

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Диплом научно-технической конференции ОАО «ОУК

«Южкузбассуголь» в номинации «За научную новизну»

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Диплом и золотая медаль конкурса «Лучший экспонат» Международной специализированной выставки «Уголь России и Майнинг», «Охрана, безопасность труда и жизнедеятельности», «Недра

России»

ПРИЛОЖЕНИЕ З Диплом конкурса «Лучший экспонат», проводимого в

рамках V форума предпринимателей

ПРИЛОЖЕНИЕ И Сертификат победителя региональной акселерацион-

ной программы GenerationS

ПРИЛОЖЕНИЕ К Акт ввода в эксплуатацию комплекса стендового оборудования

ПРИЛОЖЕНИЕ Л Программа и методика стендовых и производственных

испытаний экспериментальной партии буровых резцов

ПРИЛОЖЕНИЕ М Лабораторный технологический регламент на изготовление комбинированного инструмента с армирующими вставками из

сверхтвердых композиционных материалов

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Акт изготовления экспериментальных образцов комбинированного инструмента с применение армирующих вставок из сверхтвердых композиционных материалов

ПРИЛОЖЕНИЕ О Отчет об испытании экспериментальных буровых резцов на шахте «Распадская-Коксовая»

ПРИЛОЖЕНИЕ П Диаграммы бурения на лабораторном стенде

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Акты испытаний экспериментальных буровых

резцов

ПРИЛОЖЕНИЕ С Протокол лабораторных испытаний образцов горной породы с ООО «Шахта Алардинская» и шахта «Денисовская» ОАО «УК

«Нерюнгриуголь»

ПРИЛОЖЕНИЕ Т Диплом и серебряная медаль конкурса «Лучший экспонат» Международной специализированной выставки «Уголь России и

Майнинг», «Охрана, безопасность труда и жизнедеятельности», «Недра

России»

ПРИЛОЖЕНИЕ У Отзыв компании Europejska Grupa Innowacyjna Sp. z.o.o. на буровой резец с режущими вставками на основе кубического нитрида бора

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф Акт внедрения результатов диссертационной работы в

производственный процесс ООО «Металло-механический завод»

ПРИЛОЖЕНИЕ Х Акт внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс ООО «Скуратовский опытно-

экспериментальный завод»

ПРИЛОЖЕНИЕ Ц Акт внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс ООО «Сибирская Каменноугольная Компания»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технических и технологических решений при создании термостойких резцов для бурения шпуров и совершенствование методов их испытаний»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Анкерное крепление горных выработок является одним из основных процессов, сопровождающих добычу угля на шахтах. Для бурения шпуров под анкеры на угольных шахтах сейчас повсеместно используются резцы, армированные твердыми сплавами и техническими алмазами. Технология бурения инструментом с режущими вставками на основе карбидов вольфрама практически не имеет резервов по повышению производительности, так как увеличение осевого усилия подачи инструмента приводит к разрушению режущих вставок. Кроме того, резцы, армированные твердым сплавом, обладают незначительным ресурсом.

Алмазные буровые резцы также имеют технологические ограничения в применении, обусловленные низкой термической стойкостью технических алмазов. Использование высокопроизводительных режимов бурения с пневматической, вакуумной или шнековой технологией очистки шпура способно приводить к значительному повышению температуры нагрева лезвий резцов, что влечет за собой интенсивный износ технических алмазов при их использовании в качестве армирующего материала и выражается в существенном уменьшении ресурса инструмента.

Для снижения термической нагрузки на алмазный инструмент бурение требуется осуществлять с промывкой шпура, что зачастую весьма затруднительно в обводненных горных выработках. Сложившаяся ситуация значительно ограничивает область эффективного использования алмазных резцов.

В горном машиностроении технология испытания буровых резцов реализуется посредством бурения бетонных блоков и горных пород на специальных буровых стендах, а также натурными исследованиями в шахтных условиях при бурении кровли горных выработок. Испытание горного инструмента в производственных условиях при этом требует наличия достоверных сведений о физико-механических свойствах разрушаемого массива. Проведение испытаний без уточнения этих свойств может приводить к большим погрешностям вслед-

ствие широкого диапазона изменения физико-механических свойств горных пород в пределах одного пласта под влиянием различных факторов окружающей среды.

С учетом выше изложенного можно констатировать, что используемый в настоящее время в горной промышленности инструмент на основе твердого сплава и технических алмазов препятствует повышению эффективности вращательного бурения шпуров.

В этой связи замена данных армирующих материалов в конструкции буровых резцов на современные сверхтвердые композиционные материалы (СТКМ), обеспечивающие повышение ресурса при эксплуатации инструмента в условиях значительных термических нагрузок и снижение его себестоимости, является одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего совершенствования конструкций буровых резцов. При этом разработка новых образцов буровых резцов на основе СТКМ требует совершенствования методов их испытаний, базой проведения которых должен являться экспресс-метод определения физико-механических свойств горных пород в массиве.

Актуальность темы настоящих исследований подтверждается в том числе требованиями Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года, одна из Подпрограмм которой «Обеспечение технологического развития отрасли и укрепление научно-технической базы компаний и научных центров» предполагает решение следующих основных задач: разработку новых способов и средств разрушения пород и угля, а также модернизацию и развитие стендовой базы для испытаний горно-шахтного и горнотранспортного оборудования.

Диссертационная работа выполнялась в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» (соглашение № 14.607.21.0028 от 05.06.2014 г.), а также грантов Президента Российской Федерации для молодых российских ученых - кандидатов наук (№ МК-6689.2018.8, 2018 г.) и ректора

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет» (2010

г.).

Степень разработанности темы исследования. Разработка теории и технологии вращательного бурения шпуров, а также создание горного инструмента осуществлялись на базе многочисленных исследований, выполненных отечественными и зарубежными учеными. Существенный вклад в научные изыскания внесли Е.Ф. Эпштейн, Г.Н. Покровский, Г.П. Верескунов, А.П. Таран, Г.И. Карпенко, А.И. Шубный, Е.И. Суслов, М.Г. Крапивин, В.И. Ивин, О.Д. Алимов, Л.Т. Дворников, Н.И. Сысоев, Н.Н. Буренков, С.Г. Мирный, B.G. Fish, N. Alpan, P. Schultz, S. Fairhurst, G. Fetwice, R. Sheferd и другие ученые.

В результате этого была разработана технология вращательного бурения и выявлены основные зависимости, описывающие данный процесс, предложены методологические основы для создания буровых резцов и разработаны их конструкции на основе твердых сплавов и технических алмазов. Полученные знания позволили значительно повысить эффективность вращательного бурения.

Однако ограничения, накладываемые износостойкостью и прочностью твердого сплава и термической стойкостью синтетического алмаза, препятствуют дальнейшему совершенствованию технологии вращательного бурения шпуров.

Сложившаяся ситуация актуализирует поиск для армирования буровых резцов новых СТКМ, обладающих значительной термической стойкостью и обеспечивающих снижение себестоимости инструмента, а также требует создания новых современных подходов к оценке ресурса, скорости и энергоемкостью бурения резцов.

Объектом исследования является резцовый горный инструмент повышенной термостойкости для вращательного бурения шпуров.

Предметом исследования является совершенствование конструкции и методов испытаний буровых резцов и взаимосвязи между свойствами армиру-

ющего материала и ресурсом буровых резцов, а также скоростью и энергоемкостью бурения.

Цель работы. Разработка технических и технологических решений, а также совершенствование методов испытаний буровых резцов и выявление на их основе эффективного, экономически целесообразного армирующего материала для режущих вставок, обеспечивающего повышение ресурса при эксплуатации буровых резцов в условиях значительных термических нагрузок, обусловленных пневматической очисткой шпура, и снижение себестоимости инструмента.

Идея работы. Повышение ресурса буровых резцов при их эксплуатации в условиях значительных термических нагрузок, обусловленных пневматической очисткой шпура, и снижение себестоимости инструмента достигаются за счет оснащения резцов режущими вставками на основе сверхтвердого композиционного материала, обладающего повышенной термической стойкостью, с использованием усовершенствованных методов их испытаний.

Задачи исследования:

1. Обосновать и разработать экспресс-метод определения физико-механических свойств горных пород в натурных условиях для уточнения характеристик массива при проведении испытаний буровых резцов:

- разработать способы и устройство для контактного разрушения горной породы в скважинах индентором;

- обосновать диаметр буримой скважины, инструмент для ее бурения, геометрическую форму индентора и рациональную глубину его внедрения при определении прочности горной породы;

- установить корреляционную зависимость между усилием при разрушении горной породы и ее пределом прочности при одноосном сжатии;

- разработать конструкцию многофункциональной буровой машины, обеспечивающей определение прочности массива горных пород в автоматическом режиме.

2. Разработать программу и методику стендовых и производственных испытаний экспериментальной партии буровых резцов, обеспечивающих повышенную точность и оперативность оценки ресурса, скорости и энергоемкости бурения резцов:

- установить ресурс и скорость бурения наиболее распространенных серийных буровых резцов;

- осуществить выбор лабораторного оборудования для испытаний корпусов экспериментальных конструкций буровых резцов и определения механических свойств паяного соединения;

- разработать лабораторный стенд для исследования вращательного бурения шпуров;

- исследовать влияние способа очистки шпура на скорость и ресурс буровых резцов, армированных сверхтвердыми композиционными материалами.

3. Установить наиболее рациональный сверхтвердый композиционный материал для изготовления режущих вставок буровых резцов, обладающий повышенной термической стойкостью и обеспечивающий за счет этого применение высокопроизводительных режимов бурения без промывки, а также обосновать технологию его крепления к корпусу резца:

- осуществить выбор сверхтвердого композита для армирования режущих вставок экспериментальных буровых резцов;

- обосновать технологию крепления режущих вставок из установленного композита к державке инструмента с учетом температуры нагрева паяного шва;

- обосновать материал для изготовления и геометрию державки для экспериментальных конструкций буровых резцов на основании исследования прочности корпусов серийного инструмента.

4. Установить ресурс, скорость и энергоемкость бурения экспериментальных буровых резцов, разработанных на основе сверхтвердых композиционных материалов, и серийного инструмента в соответствии с предложенной

программой и методикой стендовых и производственных испытаний экспериментальной партии буровых резцов:

- разработать лабораторный технологический регламент изготовления комбинированного инструмента с армирующими вставками из сверхтвердых композиционных материалов;

- изготовить экспериментальные буровые резцы, армированные кубическим нитридом бора, на основании разработанного лабораторного технологического регламента;

- провести стендовые и производственные испытания экспериментальных буровых резцов и серийных аналогов в соответствии с разработанной программой и методикой.

5. Осуществить экономическую оценку эффективности использования разработанных буровых резцов посредством определения отношения стоимости инструмента к его ресурсу для экспериментальных резцов и серийного инструмента.

6. Разработать перспективные технические решения, направленные на дальнейшее совершенствование конструкций буровых резцов и технологии их применения.

Соответствие паспорту специальности.

Тема исследования соответствует п. 14 «Критерии и технологические требования при создании новых и совершенствования применяемых горных машин с учетом особенностей условий их эксплуатации при разработке месторождений твердых полезных ископаемых», а также п. 15 «Методы и средства повышения эксплуатационных характеристик и надежности горных машин и оборудования, в том числе за счет обоснования рациональных режимов их функционирования на открытых и подземных горных работах» области исследований паспорта научной специальности 2.8.8 - Геотехнология, горные машины.

Научная новизна исследования:

- выявлена корреляционная связь между усилием на инденторе при его внедрении в стенку скважины в кровле выработки и пределом прочности горных пород на одноосное сжатие;

- определена величина максимальной температуры нагрева лезвий и паяного шва между режущей вставкой резца и державкой при бурении в условиях отсутствия промывки шпура;

- осуществлена оценка величины падения скорости бурения и ресурса алмазных буровых резцов при замене способа очистки шпура с гидравлического на пневматический;

- установлен ресурс буровых резцов, армированных режущими вставками на основе спеченного композиционного материала cBN-Al-TiC, при бурении крепких горных пород;

- определено отношение стоимости инструмента к его ресурсу для буровых резцов, армированных режущими вставками на основе спеченного композиционного материала cBN-Al-TiC, и серийного инструмента при бурении крепких горных пород.

Научное значение заключается в обосновании способа определения прочности горных пород и развитии теории проведения испытаний буровых резцов в направлении повышения оперативности и точности фиксации ресурса, скорости и энергоемкости бурения испытываемого инструмента; выполнении математического моделирования с использованием численного решения задачи теплопроводности для расчета изополей температуры в штанге и резце при бурении; разработке и обосновании технических и технологических решений, обеспечивающих повышение ресурса буровых резцов за счет их армирования кубическим нитридом бора.

Практическое значение работы:

- разработан экспресс-метод определения прочности горных пород, который позволяет повысить точность фиксации ресурса, скорости и энергоемкости бурения резцов при их испытаниях;

- обоснована возможность использования для армирования режущих пластин буровых резцов СТКМ на основе кубического нитрида бора и установлен ресурс такого инструмента;

- использование разработанных буровых резцов, армированных СТКМ на основе кубического нитрида бора, позволит вести крепление в обводненных горных выработках с продувкой шпуров без потери ресурса инструмента, а также снизить материальные затраты, связанные с приобретением буровых резцов;

- определены скорости бурения и установлен ресурс наиболее распространенных серийных буровых резцов, что позволяет осуществлять сравнительную оценку экспериментального и серийного инструмента по результатам испытаний лишь экспериментальных резцов;

- разработаны способы и устройства для определения прочности горных пород в массиве и энергоемкости их разрушения, а также конструкции буровых резцов, штанг и буровой установки, предложена технология армирования резцов режущими вставками на основе кубического нитрида бора.

Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта использования горного инструмента при бурении шпуров; лабораторные исследования по определению прочности горных пород, паяного соединения режущей пластины и державки резцов, а также крутящего момента, при котором наблюдаются пластические деформации материала инструмента; методы анализа и статистической обработки результатов натурных испытаний буровых резцов; экономическую оценку их эффективности при бурении горных пород экспериментальным и серийным инструментом.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение предела прочности горных пород на сжатие в массиве при испытании буровых резцов обеспечивается экспресс-методом с использованием установленной корреляционной связи между усилием на инденторе при его внедрении в стенку скважины в кровле выработки и пределом прочности горной породы.

2. Программа и методика стендовых и производственных испытаний экспериментальной партии буровых резцов, разработанные на основании установленных показателей работы наиболее распространенного серийного инструмента и экспресс-метода определения прочности горных пород, обеспечивают повышенную точность и оперативность оценки ресурса, скорости и энергоемкости бурения экспериментальных буровых резцов.

3. Применение продувки шпура неэффективно по сравнению с промывкой при его бурении алмазными резцами в связи возможностью достижения высоких температур нагрева режущих вставок порядка 359оС, паяного шва между режущей вставкой и державкой порядка 355оС, приводящих к значительному уменьшению ресурса инструмента.

4. Требуемая прочность паяного шва при креплении спеченного композитного материала cBN-Al-TiC к вольфрамокобальтовой подложке в режущих вставках горного инструмента обеспечивается двухкомпонентным припоем «медь-титан».

5. Повышение ресурса резцов при бурении горных пород с продувкой достигается применением режущих вставок на основе спеченного композиционного материала cBN-Al-TiC.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием теоретических положений горного дела, материаловедения, механики пород; применением современных методов и технических средств при проведении исследований; результатами лабораторных и производственных испытаний, проведенных на угольных шахтах и в научно-исследовательских лабораториях; удовлетворительным согласованием результатов исследований с данными, полученными другими авторами.

Реализация работы. Результаты исследований в полном объеме используются на ООО «Металло-механический завод» (г. Прокопьевск) и ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (г. Тула) при разработке новых конструкций буровых резцов, а также в ООО «Сибирская Каменноугольная Компания» (г. Новокузнецк) в проектной и научно-исследовательской деятель-

ности в области экспертизы промышленной безопасности. Результаты исследований положены в основу научно-методических и учебных материалов дисциплины «Горные машины и оборудование» в ТулГУ.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач, а также обосновании методов исследования; разработке технических и технологических решений; проведении лабораторных исследований и производственных испытаний и анализе их результатов; получении аналитических и экспериментальных данных, их интерпретации и установлении зависимостей; формулировании выводов и защищаемых положений; апробации работы и подготовке публикаций.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на конференциях: Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (2007, 2009 - 2011, 2016 - 2019, 2021, Новокузнецк); Всероссийской научно-практической конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (2008, Новокузнецк); XI Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (2009, Кемерово); Всероссийской научной конференции «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (2009, 2010, 2019, Новокузнецк); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (2010, Новосибирск); I Международной научно-технической конференции «Вычислительный интеллект (результаты, проблемы, перспективы)» (2011, Черкассы); V и VIII Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» (2012, 2018, Новокузнецк); Международной научно-практической конференции «Горное дело в XXI веке: Технологии, наука, образование» (2015, Санкт-Петербург); Всероссийской конференции «Проблемы развития горной науки и горнодобывающей промышленности» (2016, Новосибирск); Международной научно-практической конференции «Инновации в топ-

ливно-энергетическом комплексе и машиностроении» (2017, Кемерово); ХХ, XXII Международных научно-практических конференциях «Металлургия: технологии, инновации, качество» (2017, 2021, Новокузнецк); Международной научно-технической конференции «Автоматизация и приборостроение: проблемы, решения» (2018, Севастополь); Международной научно-практической конференции «Подземная угледобыча XXI век» (2018, Ленинск-Кузнецкий); International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (2018, 2020, Севастополь); VI Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (2019, Екатеринбург); II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы современного строительства промышленных регионов России» (2019, Новокузнецк); IV Всероссийской научно-технической конференции «Геоэнергетика - 2019» (2019, Грозный); V Международной научно-практической конференции «Моделирование и наукоемкие информационные технологии в технических и социально-экономических системах» (2021, Новокузнецк); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «AS'2022 Системы автоматизации» (2022, Новокузнецк); научных семинаров в ТулГУ (2023 - 2025, Тула).

Экспресс-метод определения прочности горных пород и устройство для его реализации были отмечены дипломом научно-технической конференции ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» в номинации «За научную новизну», дипломом и золотой медалью конкурса «Лучший экспонат» Международной специализированной выставки «Уголь России и Майнинг», «Охрана, безопасность труда и жизнедеятельности», «Недра России» (2016); дипломом конкурса «Лучший экспонат» V форума предпринимателей (2016). Автор устройства «Прочност-номер ПСШ-1» признан победителем региональной акселерационной программы Generations в рамках декады «Бизнес и инновации» (2016). Конструкция «Буровой резец с режущими вставками на основе кубического нитрида бора», разработанная в рамках выполнения диссертационных исследований, отмечена дипломом и серебряной медалью в номинации «Лучший экспонат» на Между-

народной специализированной выставке «Уголь России и Майнинг», «Охрана, безопасность труда и жизнедеятельности» и «Недра России» (2017).

Осуществлена апробация разработанного экспресс-метода в условиях ООО «Абаканский рудник» (г. Абаза, Кемеровская область - Кузбасс) посредством определения прочности рудного тела на горизонте 200 м (2023 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 55 печатных работах, в том числе 12 статьях - из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук; 10 статьях - изданиях, входящих в международную базу данных и систему цитирования Web of Science и Scopus. Кроме того, получены 19 патентов на изобретение, 4 патента на полезную модель и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 203 страницах машинописного текста, содержит 98 рисунков, 35 таблиц и список литературы из 239 наименований, а также 22 приложения.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность за ценные советы, обсуждение основных положений диссертации и постоянное внимание к работе иностр. член-корр. НАН КР, профессору, д.т.н. Дворникову Л.Т.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ физико-механических свойств горных пород с позиций их влияния на процесс бурения вращательным способом

Разрушение горных пород при вращательном бурении шпуров - сложный процесс, влияние на который оказывают многие свойства породы, но в первую очередь - механические [1-10]. Известно, что горная порода характеризуется более чем 20 упругими константами [11], учет которых в реальных условиях практически невозможен. В этой связи различными учеными и практиками производились многочисленные исследования с целью установления комплексных показателей, позволяющих осуществлять оценку влияния горной породы на показатели бурения и износ инструмента.

Первые такие попытки были осуществлены на основании коэффициента крепости, предложенного профессором М.М. Протодьяконовым [12]. Коэффициент крепости является универсальным показателем, характеризующим сопротивляемость горной породы различным видам разрушения. По предложению М.М. Протодьяконова он определяется на основании предельного напряжения образцов горной породы при одноосном сжатии, то есть фактически является подобием предела прочности горной породы при одноосном сжатии.

В дальнейшем, отечественным ученым Л.А. Шрейнером был обоснован новый показатель сопротивляемости породы разрушению, названный твердостью горной породы [12]. Данный показатель гораздо ближе лежит к физике процесса разрушения породы инструментом, чем коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову. Определение твердости по Л.А. Шрейнеру производят посредством вдавливания штампа в форме усеченного конуса с диаметром основания 1 -2 мм в отшлифованную поверхность исследуемой горной породы [12]. По мнению Л.А. Шрейнера агрегатная твердость непосредственно влияет

на скорость разрушения при бурении, при этом от твердости отдельных минералов зависит скорость затупления буровых резцов [11].

На практике определение твердости по Л.А. Шрейнеру достаточно затруднительно, так как требует проведения огромного объема работ по подготовке образцов. С целью повышения оперативности исследований Л.И. Бароном и Л.Б. Глатманом был предложен близкий к твердости по физическому смыслу показатель - контактная прочность горных пород. В отличие от твердости по Л.А. Шрейнеру ее определение возможно вдавливанием индентора в естественную поверхность породного образца без шлифовки [12].

Следует отметить, что контактная прочность, твердость по Л.А. Шрейнеру и коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову характеризуют в большей степени прочностные свойства горной породы и их применение не позволяет в полной мере учитывать способность горной породы изнашивать инструмент. Для оценки этой способности Л.И. Бароном и А.В. Кузнецовым в 1960 г. был предложен показатель абразивности, который определяется на основании потери массы эталонного стержня из стали-серебрянки при истирании об необработанную поверхность горной породы [11]. Данный метод используется при лабораторных исследованиях и не применим в условиях производственных испытаний.

С учетом выше изложенного, а также имеющегося практического опыта, накопленного различными исследователями, можно констатировать следующее.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Корнеев Виктор Александрович, 2026 год

Ч— -

I Ьзкнтенко C.M. - руководитель проекта (председатель)

Креетояогиы[женского П.Д. инженер

Корнеева Е.А. - инженер

Корнеева [ LA, - инженер

организовала и провела на базе ФИЦ У УХ СО РАН (г. Кемерово. пр. Ленинградский ][)) испытания партии буровых резцов «тип 2».

Цели испытаний:

Цель и задачи экспериментальных исследований: пройерка соответствия разработанных технических решений требованиям технического задания. Б соответствии с пунктом 4.1.3 технического задания на выполнение прикладные научных исследовании ресурс резцов должен составлять не менее 20 м пробуренных шпурой (^шпурометров») при коэффициенте крепости пород I' Л-10 ед.

Объект испытаний:

Eta испытания были представлены резцы (шп 2», образцы №1-5} в количестве 5

MIL уК.

Условии нронеденин испытаний:

Испытания резцов проводились при бурении лосчано-цсменгных блоков. Для бурения использовалась лабораторная установка дла исследования процессов бурения горных порол. Бурение шпуров осуществлялось с промывкой водой.

Среднее значение коэффициента крепости песчано-цементных блоков л о шкале проф. М М. Протодьлконова составило I' 8-9, что удовлетворяет техническому заданию.

Ге íVlJ ыа i ы иен ы i ан и ii L

и процессе испытаний проводился йсистр резцов, замер времени оурениА ш пура и количество отбуренных шлуров. Результаты испытаний резцов заносились и журналы испытаний.

Выводы II рекомендации ¡ммиим!

1. [[рнзнать буровые резцы <гглп 2)> «юпекгаующнын требованиям технического задания: количество пробуренных ншурометрой достигает не менее 20 ы в лесчано-цсиеатноы блоке с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. [ [ротод ья конова Г Н-10.

2. Рекомендовав буровые ре.ща «тип2» к шахтным нспыташин

Члены комиссии:

Ннкнтенко С.М. Кркювощищший П.Д. Корнеев В.Л. Корнеев П.А.

АКТ

иСш.инннн ПйргИИ I)} рЛвм\ ди'пки; «т им .1»

«03» л юн л 2()](ч.

Комиссия и составе:

I [нкптенко С.М. - руководитель проекта (председатель)

Ш

Креегововдвпженского П.Д. инженер

Корнеева В. А. - инженер

Корнеева ПА, инженер

организовала и провела испытания партии буровых резцов «тип Цели испытаний:

Цель и задачи экел ери ментальных исследований: проверка соответствия разработанных технических решений требованиям технического задания. В соответствии с пунктом 4.1.3 технического задания на выполнение прикладных научных исследований ресурс резцов должен составлять не менее 20 м пробуренных шпуров («штурометровн) при коэффициенте крепости пород I' К-10 ед.

Объект испытаний:

Е[а испытания были представлены резцы («тип 3», образцы №1-3) в количестве 3

штук.

Условии проведении испытаний;

Испытания резцов проводились при бурении лесчано-цементных блоков. Для бурении использовалась лабораторная установка длд исследования процессов бурения горных пород. Бурение шпуров осуществлялось с промывкой водой.

Среднее значение коэффициента крепости песчано-нементных блоков по шкале проф. М.М. Пртодвяконова составило X 8-9, что удовлетворяет техническому заданию.

Результаты исп ытан и Н:

В процессе испытаний проводился осмотр резцов, замер времени бурения шпура н количество отбурен ник шпуров. Результаты испытал ни резцов заносились я журналы испытаний.

Выводы и pLhLflMCh,tâmiii комиссии;

]. Признать буровые резцы <гтип 3» «аогасщтврщньш требованиям технического задания: количество пробуренных шпурометров достигает не менее 20 м в леечано-цементном блоке с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. [ [ротод ья конова ]' Н-10. ^. Рекомендовать буровые резца <хтип 3 » к шамтн ы м испытани ям.

Члены комиссии:

Крестоло^двпженский П.Д.

ПРИЛОЖЕНИЕ С Протокол лабораторных испытаний образцов горной породы с ООО «Шахта Алардинская» и шахта «Денисовская» ОАО «УК «Нерюнгриуголь»

ПРИЛОЖЕНИЕ Т Диплом и серебряная медаль конкурса «Лучший экспонат» Международной специализированной выставки «Уголь России и Майнинг», «Охрана, безопасность труда и жизнедеятельности», «Недра России»

ПРИЛОЖЕНИЕ У

Отзыв компании Europejska Grupa Innowacyjna Sp. z.o.o. на буровой резец с режущими вставками на основе кубического нитрида бора

Е G I N

Europejska Grupa innowacyjna Sp, i 0,0.

ul. Piastottsha 53 47-200 Keteierzvn Ktéle

OPI N I A

na ítmat freza wierlnicíego z píytkemi tnqcymi nit bazie ngatarnegt> ezotku bóni - opracowanegúprzez dl. h., profaore Dwomikowü L T. A, t. n. Sprnlfjewa И'. A. T Kurtityewa P. A.

Wivwjt slul jest rúi.'/bi>l!ij ni procesoni ((№шум|;ут гвддеройтшаши ¿Il'v Uhpjli.ii.

MtWiCdíC Si^ iKiwjuh III.LlCrbto^ klSEIipKl/.ylUWyCtk 0 JtúdwyÁlZÍtflCJ OdplJfTtÚÍCl l]LL ^titwit L

mürdoüci. aktuali/jje opncowanie nowyeh kunücriikiji norxcdzi ^ümiczych h;l n;h podrowle, nar/fdft o unikalnych p;LMiiiiL'[r;ivh IcchiwlQgk^nych.

Jednym i ^hiwniacinfi anaieriiów, kiiirc niogí) w lujblíiWL'j prtysiio&ci zularé woífrtmokobaJtúwe siopy w ptydaeb ikrawajqcych wiertrí i frezów, jtrsí regulamy azofek bono. Na poddawie lego müIerLatu zespút aiitorów gpracownl L ¡fletieslowil konslrukcje wíerlíl í ftczüw. Bailania efcspefymetitalne tiijto gómitíego i^u^tLfia odbywalo na sptcjahhe zapfoj¿Lio* ari ут wicíinkiym stuwwí&ku, a t¡jk¿í wíejiniczymi ¡nstalacjami Ik-iLbi-i i WOMBAT. W procísk wimcrtia IUUIOHO iloW wieieünytli tftwoitiw i ¡cfa dlt(go&4 . a taUo pr^Jkfi¿¿ wieeeniu, Pi/; lu^i^cli nj "A'iertnlcíyci sianowj&ltu rtjesimwvut prL>e¿s wkrKiijt. sil^ aacisJcu, wanowí posuwu noia, jigo obroty,»laJde омлкт obrotowy. Rdíwi^canil ИсЬлiCzftc towart« W konsLrukcji vrtaflnicwgü frtZU, /Kvnnn W fcntiií J wniüfikiúw и bzyskajiie polen tu 11,1. wyiMta/ük, w przypjdku 2 / niíh podj^io pozyiywiu} Jccyvj o pr/y/iianiu jiatuntu..

I! k^fiv áunt u/yskane |4híJil-/js hüdui'i, wykazftfy, íe z&aúb rujluíJ/i^j cfi¿kís wnfigo

pniiiAum лил. ík\poryiniC[ii¿tiii^ü Iré/u przetracza iv yiLajnoii: sbndardüwego wierlniczegí) fii^n y. irtLudym »topeen w Li^coj r¡\}.9 ггигч рту piHliíb[Li:i рфЛсо с! i energochlooojíci m.i¿m.4)i;i_ W /«iL^ku /. tym opfacowanú и iínlo-frez /. plyitjciii tn^cytmi ea b^íi; regulamego ш>гки Ihuu

/jli'CimCÜ» <jtt ■wJrD/íriÍLi W /üki:Kbtb^mii;/yi.'li nykDi/yiiliij^'itli w pii44'üJL'h iCL'^iiokhutc^r» lI)

ohroiawe wiefcctiíe.

Eungpej&ka Grupa Innowacyina 5p. z 0.0.; ul- Piaslowska 53; 47-200 K^dzjerzyn-KozJe NLP: 743-20^-30-65; REGOW: 36205Ü737; Nr konla: 31 ЮЭ02183 0000 0001 3117 48 68

wwiv.&oin.pl; e-mail; [e-mail]

EG I N

Europejska Grupa Innowacyjna Sp. z o.o.

ul. Piastowska 53 47-200 K^dzierzyn Kozle

ОТЗЫВ

на буровой резец с режущими вставками на основе кубического нитрида бора, разработанный д.т.н., профессором Дворниковым Л.Т., к.т.н. Корнеевым В.А., Корнеевым П.А.

Бурение горных пород является неотъемлемым технологическим процессом, сопровождающим разработку месторождений полезных ископаемых. Появление к настоящему моменту новых композиционных материалов, обладающих повышенной износостойкостью и твердостью, актуализирует разработку новых конструкций горного инструмента на их основе с уникальными технологическими параметрами.

Одним из перспективных материалов, способных в ближайшем будущем заменить вольфрамокобальтовые сплавы в режущих пластинах буровых резцов, является кубический нитрид бора. На основе этого материала коллективом авторов были разработаны и испытаны различные конструкции буровых резцов. Испытания экспериментальных образцов горного инструмента осуществлялось на специально разработанном буровом стенде, а также буровыми установками Fletcher и WOMBAT. В процессе бурения фиксировались количество пробуренных шпуров и их длинна, а также скорость бурения. При испытаниях на буровом стенде регистрировалась диаграмма бурения, фиксирующая усилие, величину подачи резца, его обороты, а также крутящий момент.

Технические решения, заложенные в конструкции бурового резца, поданы в виде 4 заявок на получение патента на изобретение, по 2 из которых принято положительное решение о выдаче патента.

Экспериментальные данные, полученные при проведении исследований, показали, что ресурс наиболее эффективной конструкции экспериментального резца превышает ресурс стандартного бурового резца с твердым сплавом более чем в 9 раз при аналогичной скорости и энергоемкости бурения.

В связи с этим разработанный буровой резец с режущими вставками на основе кубического нитрида бора рекомендуется к внедрению на горнодобывающих предприятиях, использующих в технологических процессах вращательное бурение горных пород.

Europejska Grupa Innowacyjna Sp. z o.o.; ul. Piastowska 53; 47-200 «Qdzierzyn-Kozle NIP: 749-209-30-85; REGON: 362058737; Nrkonta:91 1090 2183 0000 0001 3117 48 68

www.egin.pl; e-mail: [e-mail]

Кшиштоф Климкович / Директор /

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф

Акт внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс ООО «Металло-механический завод»

Мы, нижеподписавшиеся, представители ООО «Металл о-Мехйн ячеек и й Завод» составили настоящий акт о том, что нижеперечисленные результаты диссертационной работы Корнеева В-А, внедрены в производственный пропев для испытания буровые резцов:

- экспресс-метод определения прочности горных пород и техническое устройство «Прочностномср I ]СШ-1»;

- лабораторный стенд для испытания конструкций буровых резиов;

- программа и методика стеидопык и производственных испытании буровых резцов.

Использование данных результатов диссертационной работ!.г позволит повысить оперативность проведения испытаний ратработайных конструкций буровых резцов за счет возможности осуществления полного комплекса экспериментальных исследований в условиях предприятия на буровом стенде, включая определение прочности породы, используемой при испытания!;, посредством разработанного экспресс-метода и устройства

((^рОг^ипгтигъшл^гъ Г7Г1ГI . 1

УТВЕРЖДАЮ Главный инженер ООО «ММЗ»

151

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Корнеева Виктора Александровича

ПРИЛОЖЕНИЕ Х Акт внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»

ПРИЛОЖЕНИЕ Ц Акт внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс ООО «Сибирская Каменноугольная Компания»

Мы, нижеподписавшиеся представители ООО «Сибирская Каменноугольная Компания» составили настоящий акт о том, что экспресс-метод определения прочности горных пород и техническое устройство «Прочностномер ПСШ-1», разработанные в диссертационной работе Корнеева В.А., внедрены в проектную и научно-исследовательскую деятельность, осуществляемую компанией е области экспертизы промышленной безопасности.

Результаты диссертационной работы могут использоваться при разработке паспортов крепления выработок на угольных шахтах и проектов буровзрывных работ на разрезах при разработке трудновзрываемых участков вскрышных пород.

УТВЕРЖДАЮ

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Корнеева Виктора Александровича

Главный инженер

В.П. Кайгородов

Начальник отдела экспертизы ПД и ОБ

Г.С. Серегин