Zavisnost specifične energije rezanja stijena od specifične energije bušenja

doctoral thesis

• Title: Zavisnost specifične energije rezanja stijena od specifične energije bušenja : doktorski rad
• Title (english): Dependence of rock cutting specific energy o the specific energy of drilling : doctoral dissertation
• Author: Davor Antoljak
• Mentor: Trpimir Kujundžić (mentor)
• Mentor: Dalibor Kuhinek (mentor)
• Committee member: Tomislav Korman (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Trpimir Kujundžić (član povjerenstva)
• Committee member: Dalibor Kuhinek (član povjerenstva)
• Committee member: Antonia Jaguljnjak-Lazarević (član povjerenstva)
• Committee member: Josip Mesec (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering; Zagreb
• Defense date and country: 2020-07-07, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mining, Petroleum and Geology Engineering; Mining
• Universal decimal classification (UDC): 622 - Mining

Abstract

Bušenje i rezanje su procesi razrušavanja stijena koji se uobičajeno koriste tijekom istraživanja
i eksploatacije mineralnih sirovina, tj. tijekom izvođenja geotehničkih i drugih radova. Radne i
konstrukcijske veličine strojeva za bušenje i rezanje stijena se znatno razlikuju, što ne mora biti
slučaj s mehanikom razrušavanja stijena. Primjerice, prilikom utvrđivanja količine i kakvoće zaliha
ležišta arhitektonsko-građevnog kamena, odnosno pridobivanja primarnih blokova arhitektonskograđevnog
kamena koristi se hidraulična rotacijska bušilica, odnosno lančana sjekačica.
Hidraulična rotacijska bušilica i lančana sjekačica imaju različite radne i konstrukcijske veličine,
ali im je mehanika razrušavanja stijena vrlo slična. Na temelju prethodno navedenog postavljene
su hipoteze:
1. U procesima kod kojih je mehanika (kinematika i dinamika) razrušavanja stijena bušenjem
i rezanjem ista ili slična postoji značajna zavisnost specifične energije rezanja stijena od
specifične energije bušenja.
2. Laboratorijskimispitivanjima i verifikacijom dobivenih rezultata u stvarnim uvjetima može
se razviti metoda za određivanje specifične energije rezanja stijena pomoću mjerenja
specifične energije bušenja.
Specifična energija je veličina koja povezuje radne veličine stroja i svojstva stijene, odnosno
stijenske mase u jednu cjelinu, a jednaka je ukupnoj utrošenoj energiji potrebnoj za razrušavanje
jediničnog obujma stijene.
S ciljem testiranja i potvrđivanja postavljenih hipoteza, tj. određivanja postojanja i prirode
zavisnosti specifične energije rezanja stijena od specifične energije bušenja provedena su opsežna
laboratorijska ispitivanja i terensko mjerenje. Iz razloga što u dostupnoj literaturi nije pronađena
metoda ili standard za ispitivanje specifične energije rezanja, odnosno bušenja razvijena je vlastita
metoda. Laboratorijska mjerenja provedena su na uređaju za pravolinijsko rezanje stijena, odnosno
na laboratorijskoj bušilici. Pri tome su korištena dva različita mjerna sustava s obzirom na način
rada osjetila: mjerni sustav za mjerenje snage pogonskih elektromotora (osjetilo MT540) te mjerni
sustav s mjernim pretvornikom sile (troosni mjerni pretvornik sile), odnosno, mjerni sustav s
mjernim pretvornikom sile i okretnog momenta (mjerni pretvornik sile za mjerenje vertikalne
komponente sile bušenja i okretnog momenta).
Terensko mjerenje provedeno je na eksploatacijskom polju arhitektonsko-građevnog kamena
(iz kojeg su dopremljeni stijenski uzorci za laboratorijska mjerenja) na lančanoj sjekačici i
hidrauličnoj rotacijskoj bušilici pri čemu je korišten mjerni sustav za mjerenje snage pogonskih
elektromotora.
Analizom mjernih veličina dobivena je jaka zavisnost specifične energije rezanja stijena od
specifične energije bušenja, čime su potvrđene postavljene hipoteze. Također, potvrđena je
mogućnost simuliranja realnih procesa rezanja i bušenja u laboratorijskim uvjetima. Osim toga,
temeljem provedenih analiza mjerne nesigurnosti rezultata mjerenja određen je optimalni mjerni
sustav (mjerni sustav za mjerenje snage pogonskih elektromotora).
Na kraju određene su smjernice za provođenje daljnjih laboratorijskih i terenskih mjerenja
pomoću razvijene metode čime bi se omogućilo:
− u najranijoj fazi istraživanja ležišta arhitektonsko-građevnog kamena orijentacijski spoznati
potrebnu specifičnu energiju rezanja stijena u ležištu bušenjem istražnih bušotina te na temelju
toga predvidjeti potrebne karakteristike lančane sjekačice za eksploataciju arhitektonskograđevnog
kamena
− optimizirati radne i konstrukcijske veličine lančane sjekačice i/ili hidraulične rotacijske
bušilice u eksploatacijskim uvjetima
− utjecati na energetsku učinkovitost lančane sjekačice
− odrediti neke od fizikalno-mehaničkih i mineraloško-petrografskih značajki stijena koje se
režu i/ili buše.

Abstract (english)

Drilling and cutting are processes of rock disintegration, which are usually used during
exploration and exploitation of solid mineral deposits i.e. during geotechnical and other works. The
operational and constructional parameters of machines used for rock drilling and cutting have
significant differences but this does not have to be the case with the mechanics of rock
disintegration. For example, in processes of determining the quantity and quality of dimension
stone deposits, or dimension stone primary blocks exploitation, hydraulic rotary drilling rig, or
chain saw are used. Hydraulic rotary drill and chain saw have different operational and
constructional parameters but the mechanics of rock disintegration is almost equal. Based on the
above stated facts, the following hypotheses have been made:
1. In the processes in which the mechanics (kinematics and dynamics) of rock disintegration
by drilling and cutting are the same or similar, there is a significant relationship between
certain operational parameters of drilling rigs and machines used for rock cutting.
2. Laboratory testing and verification of the measurement results obtained in real conditions
can develop a method of determining the specific energy of rock cutting by measuring the
specific drilling energy.
The specific energy is a parameter which combines the operational parameters of the machine
and properties of the rock, i.e. rock mass into one and it is equal to the total energy required to
disintegrate a unit volume of the rock.
In order to test and confirm the hypotheses, i.e. to determine the existence and nature of the
dependency of the specific energy of rock cutting on the specific drilling energy, extensive
laboratory testing and field measurements were carried out. Due to the fact that in the available
literature there were no methods neither standards for testing rock cutting specific energy, i.e.
specific drilling energy, the author has developed his own method. Laboratory measurements were
performed on the linear cutting machine and the laboratory drilling rig, respectively. During
laboratory measurements two conceptually different measurement systems were used: the
measuring system used for measurement of the electromotor electric power and the measuring
system with force transducers (three-axial force transducer and transducer designed for
measurement of vertical force and torque).
Field measurements were carried out on the dimension stone exploitation field (from which
rock samples were delivered for laboratory measurement) on a chain saw and hydraulic rotary
drilling rig using the electromotor electric power measurement system.
The analysis of the measurement data revealed a strong dependency of the rock cutting specific
energy on the specific drilling energy, thus confirming the above stated hypotheses. In addition,
the ability to simulate realistic cutting and drilling processes under laboratory conditions was
confirmed. Furthermore, based on the analysis of measurement uncertainties of the data, the
optimum measurement system was determined (the measuring system for measurement of
electromotor electric power).
Finally, the guidelines are provided for further laboratory and field measurements using the
developed method, which would enable the following:
− to determine the value of the specific rock cutting energy at the earliest phase of exploration
of the dimension stone deposit, by drilling explorations boreholes, and on such a basis to
specify the necessary characteristics of the chain saw used for exploitation of dimension stone
− to optimize the operational and constructional parameters of the chain saw and/or hydraulic
rotary drilling rig in operational conditions
− to influence the energy efficiency of machines
− to determine some of the physical-mechanical and mineralogical-petrographic
characteristics of the rock which is cut and/or drilled.

• Keywords: mehaničko razrušavanje stijena; lančana sjekačica; hidraulična rotacijska bušilica; specifična energija rezanja stijena; specifična energija bušenja stijena
• Keywords (english): mechanical rock disintegration; chain saw; hydraulic rotary drilling rig; specific energy of rock cutting; specific rock drilling energy
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:169:828894
• Study programme: Title: Applied Geosciences, Mining and Petroleum Engineering; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor znanosti/doktorica znanosti (doktor znanosti/doktorica znanosti)
• Catalog URL: http://katalog.nsk.hr/F/?func=direct&CON_LNG=ZAG&local_base=ZAG01_WEB&doc_number=000682500
• Type of resource: Text
• Extent: 409 str. ; 30 cm
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2020-09-30 07:45:38