Ανάλυση Καταγραφών Δυνάμεων Κοπής Πετρωμάτων με χρήση Κυματιδίων

Abstract

H παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την επεξεργασία καταγραφών της Δύναμης Κοπής πετρωμάτων, που προέκυψαν από την εργαστηριακή κοπή δοκιμίων διαφόρων πετρωμάτων με κοπτικό συρόμενου τύπου, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ανάλυσης με κυματίδια. Ένας επιπλέον στόχος είναι να διερευνηθεί το εάν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ των χαρακτηριστικών της Δύναμης Κοπής των πετρωμάτων και των μηχανικών τους χαρακτηριστικών (αντοχή σε μονοαξονική θλίψη, εφελκυστική αντοχή, ψαθυρότητα, ειδική ενέργεια εκσκαφής). Αρχικά περιγράφονται οι θεωρίες κοπής πετρωμάτων με κοπτικά συρόμενου τύπου, συγκεκριμένα οι θεωρίες του Merchant, του Evans και του Nishimatsu. Εν συνεχεία δίνεται το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο της μεθόδου επεξεργασίας σημάτων με κυματίδια. Τέλος πραγματοποιείται η επεξεργασία των δεδομένων, η οποία περιλαμβάνει σε πρώτη φάση την ανάλυση 225 περιπτώσεων σημάτων της Δύναμης Κοπής με τη μέθοδο του διακριτού μετασχηματισμού κυματιδίου, χρησιμοποιώντας το λογισμικό MATLAB, και σε δεύτερη φάση τη διερεύνηση της συσχέτισης των παραμέτρων που προέκυψαν από την ανάλυση με κυματίδια με τις μηχανικές ιδιότητες των πετρωμάτων. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείχνουν ότι με τη μέθοδο του μετασχηματισμού κυματιδίων επιτυγχάνεται μια πολύ αποτελεσματική εκτίμηση των κυρίων συχνοτήτων που επικρατούν στο εκάστοτε σήμα της δύναμης κοπής. Επιπλέον, από τη συσχέτιση των παραμέτρων που λήφθηκαν από την ανάλυση με κυματίδια με τις μηχανικές ιδιότητες των πετρωμάτων προέκυψαν πολύ καλά αποτελέσματα δίνοντας σε αρκετές περιπτώσεις τιμές του συντελεστή R2 μεγαλύτερες από 70%. Κατά συνέπεια, η μέθοδος ανάλυσης σημάτων της δύναμης κοπής με τη χρήση κυματιδίων παρουσιάζει ενδιαφέρον για περαιτέρω διερεύνηση σε ότι αφορά στην εφαρμογή της για την πρόβλεψη των χαρακτηριστικών της κοπής πετρωμάτων.

The objective of this thesis is the analysis of rock cutting force recordings using the wavelet transform method. The force recordings have been obtained from laboratory cutting tests of various rock types by using a drag tool. Additionally, it is aiming to investigate whether there exists a correlation between the rock cutting force characteristics and significant mechanical properties (unconfined compressive strength, Brazilian tensile strength, brittleness indices and specific energy – S.E.) of the rock. Initially, the rock cutting theories, i.e. the theories of Merchant, Evans, and Nishimatsu, describing drag tool rock cutting are presented. Thereafter, the theoretical and mathematical background of the wavelet signal analysis method is given. Finally, the analysis of the data is carried out in two steps. The first step is the analysis of 225 cutting force signals with the discrete wavelet transform method, using MATLAB software. In the second step, the correlation between the parameters obtained from the wavelet analysis and the rock mechanical properties is investigated. The analyses results show that the wavelet transform method achieves a significant estimation of frequencies dominating in each cutting force signal. Moreover, very good results are obtained from the correlation between the wavelet analysis parameters and the rock mechanical properties, giving in several cases values of the coefficient R2 above 70%. Consequently, the wavelet analysis of the rock cutting force signals showed to be very promising for further research in the direction of estimating rock cutting performance.