Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и актуальность проблемы изыскания эффективных средств бурения скважин. задачи и методы исследования 19
1.1. Горно-геологические условия. Объемы и способы бурения на карьерах 21
1.2. Тенденции развития техники бурения взрывных скважин 25
1.3. Анализ развития конструкций буровых инструментов 30
1.4. Анализ исследований процессов очистки скважин от бурового шлама 46
1.5. Восстановление и утилизация бурового инструмента 63
1.6. Резюме. Задачи и методы исследований 66
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки создания специализированных долот вращательного бурения для открытых горных работ 69
2.1. Значение бурового инструмента в технологии вращательного бурения взрывных скважин и критерии оценки эффективности его использования 70
2.2. Закономерности процесса вращательного бурения (забойного процесса) и формирование экономико-математической модели системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок» 75
2.3. Обоснование принципов создания специализированных буровых инструментов для открытых горных работ 79
ГЛАВА 3. Разработка конструкций базовых моделей специализированных долот 86
3.1. Долото режущего действия переменного диаметра с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ-РД) 86
3.2. Дисковое долото фрезерного типа с регулируемым диаметром it (ДЗДШ-РД-Ц) 89
3.3. Дисковое долото фрезерного типа с регулируемой частотой вращения (ДЗДШ-РВ) 93
3.4. Разборное долото с конусными шарошками, сформированными из дисков (РШД-К-Д) 96
3.5. Буровое долото режуще-скалывающего действия (ДЗДІІІ-УК) ... 99
3.6. Разборное буровое долото шарошечного типа (РШД-К-Ц) 102
3.7. Шарошечное долото с опорным устройством ф разборного типа (РШД-К-И) 109
3.8. Буровое долото со сменными вертикальными опорами (РШД-С-В) 115
3.9. Буровое долото со сферическими шарошками (РШД-С-Н) 121
3.10. Долото с зубчато-дисковыми шарошками, устанавливаемыми под различными углами к плоскости забоя (ДЗДШ-РУ) 128
3.11. Систематизация специализированного бурового инструмента 134
3.12. Исследование прочностных характеристик специализированного бурового инструмента 136
ГЛАВА 4. Разработка и исследование долот с зубчато-дисковыми шарошками 145
4.1. Научно-технические предпосылки создания 'F разборных долот режущего действия ДЗДШ 146
4.2. Особенности конструкции и кинематика работы долота ДЗДШ 157
4.3, Компоновочные схемы долот ДЗДШ 179
4.4. Опытно-промышленные испытания долот с зубчато-дисковыми шарошками 184
ГЛАВА 5. Проектирование режима вращательного бурения специализированными долотами и средств очистки скважины 196
5.1. Теория и методы установления режима бурения L96
5.2. Определение режимных параметров, обеспечивающих устойчивую работу долота ДЗДШ 209
5.3. Режимы пневматической очистки скважин от бурового шлама при работе долот ДЗДШ 220
5.3.1. Влияние конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ на эффективность пневмоочистки скважин...221
5.3.2. Определение расхода воздуха на продувку скважины при бурении долотами ДЗДШ 228
5.3.3. Определение показателей пневмотраиспортной системы станка при бурении долотами ДЗДШ 237
5.4. Режимы шнекопневматической очистки скважин при бурении долотами ДЗДШ 242
5.4.1. Закономерности процесса удаления бурового шлама из призабоиной зоны скважины 244
5.4.2. Закономерности процесса удаления бурового шлама из шнековой зоны скважины 253
5.4.3. Определение показателей работы пневмотраиспортной системы станка со шнекопневматической очисткой 258
5.5. Пневмо-эжекциоиная эвакуация бурового шлама из скважины 264
5.5.1. Сущность пневмо-эжекционного способа эвакуации бурового шлама и принцип работы реализующих его устройств 266
5.5.2. Основы теории пневмо-эжекционной эвакуации бурового шлама из скважины 275
5.5.3. Лабораторные и опытно-промышленные испытания пневмо-эжекционной эвакуации бурового шлама из скважины 293
5.5.4. Методика расчета технико-экономических показателей процесса бурения взрывных скважин с пневмо-эжекционной эвакуацией бурового шлама 299
5.6. Опытно-промышленные исследования режимов очистки скважин от бурового шлама и их влияния на показатели работы станка 302
ГЛАВА 6. Конструктивные преобразования, вторичное применение и утилизация бурового инструмента 310
6.1. Конструктивные преобразования долот при бурении горных пород с широким изменением физико-механических свойств 310
6.2. Способ преобразования долот с конусными шарошками в долота ДЗДШ 316
6.3. Способ преобразования долот с конусными шарошками в долота РД со стационарными резцами 317
6.4. Утилизация бурового инструмента 319
6.5. Опытно-промышленные испытания восстановленных шарошечных долот 333
6.6. Технико-экономическое обоснование целесообразности вторичных конструктивных преобразований бурового инструмента 336
Заключение 340
Библиографический список 343
Приложение 360
- Тенденции развития техники бурения взрывных скважин
- Закономерности процесса вращательного бурения (забойного процесса) и формирование экономико-математической модели системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок»
- Буровое долото режуще-скалывающего действия (ДЗДІІІ-УК)
- Особенности конструкции и кинематика работы долота ДЗДШ
Введение к работе
В основе всего промышленного производства стоит горная промышленность, осуществляющая добычу полезных ископаемых и обеспечивающая сырьевые потребности не только России, но и других стран. Основные объемы горной массы подготавливаются к выемке буровзрывным способом, одним из главных технологических процессов которого является бурение взрывных скважин.
Буровой комплекс на открытых горных работах представляет собой
крупную ресурсоемкую систему, в которой в настоящее время преобладает экс
тенсивное развитие. За последние годы рост производительности бурового обо
рудования практически прекратился и происходит значительное непрерывное
увеличение затрат на буровые работы.
Ш В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения
на открытых горных, земляных и строительных работах превысят 60 млн. м скважин, освоение которых при существующих устаревших средствах бурения потребует списочного состава буровых станков более 1500 ед. и расходования в год 160 - 200 тыс. буровых инструментов. Ежегодные эксплуатационные затраты могут достигнуть 6 млрд. руб., из них примерно 60 - 65 % составят затраты на буровой инструмент. Поэтому создание эффективных буровых инструмен-[ф тов и технологий их применения на карьерах является важной научно-технической проблемой.
Буровой инструмент является самым высоконагружаемым и ответственным элементом бурового станка, определяющим способ бурения в соответствии со свойствами буримых пород. Скоростные качества долота, его износостойкость и стоимость формируют главный критерий эффективности буровых работ — удельные затраты на бурение 1 м скважины, высокий уровень которых не соответствует современным требованиям к использованию ресурсов предприятий.
Большие расходы на буровой инструмент объясняются преимущественно использованием на карьерах ресурсоемких (энергоемких) и сложных шарошечных долот (свыше 80 % от всех объемов). Их стоимость непрерывно повышается, особенно долот увеличенного диаметра (244,5 - 320 мм), масштабы потребления которых интенсивно возрастают по технологическим причинам. Стойкость отечественных шарошечных долот в 5 — 6 раз ниже лучших зарубежных образцов.
Практика показывает, что выпускаемые шарошечные долота, конструктивные и ресурсные параметры которых изначально рассчитаны на жесткие требования проходки глубоких скважин, не могут соответствовать всем условиям бурения неглубоких взрывных скважин.
В горных породах с относительно небольшим коэффициентом крепости (f = 2 - 10), составляющих на открытых горных работах значительную долю (от 25 - 35 % на добыче руд, алмазов и строительных материалов до 85 - 90 % на угольных разрезах), в 1,5 — 3 раза большую производительность и экономичность по сравнению с шарошечными долотами могут обеспечить более дешевые и простые режущие долота, а в сложноструктурных породных массивах — долота с зубчато-дисковым вооружением и различные комбинированные инструменты.
Пилотные образцы (модели) некоторых видов долот усилиями ряда НИИ и вузов (НИИОГР, ИГД им. А.А. Скочинского, ГУЦМиЗ, ИрГТУ, КузГТУ и др.) разработаны давно, но серийное их изготовление и должное использование не организовано (за исключением режущих долот диаметром 160 мм для шне-ковых станков) и четкие границы их применения не определены. Многие известные технические решения в области буровых инструментов еще требуют длительной опытно-промышленной проверки и экономических обоснований.
Работа бурового инструмента органически сопряжена с технологическими процессами бурения и характеристиками исполнительных механизмов бурового станка. Поэтому необходимо обеспечивать согласованность параметров создаваемых новых .моделей буровых инструментов с режимными параметрами
процессов разрушения пород и удаления продуктов разрушения из забоя скважины, а также с параметрами буровых станков (механизмов вращения, подачи бурового инструмента и очистки скважины).
Особенно больших изменений требуют устройства и параметры пнев-мотранспортных систем буровых станков при использовании высокопроизводительных долот режущего и режуще-скалывающего действия. Их работа сопровождается выходом из скважины круп покомпонентных концентрированных пневмосмесей, оптимальные условия стабильного перемещения которых из скважины (без ее зашламовывания) окончательно не определены.
До сих пор не найдены надежные инструменты и технологии проходки скважин в достаточно распространенных аномальных геологических условиях, когда сочетание вязких водонасыщенных глинистых формаций и включений крепких пород обусловливает чрезвычайно низкие технико-экономические показатели бурения с пневмоочисткой скважин вследствие запрессовывания продувочных каналов БИ и блокирования работы их вооружения.
В процессе бурения со шмскопневматической очисткой скважин в указанных условиях наблюдается интенсивное изнашивание шнековых штанг и увеличение потребляемой мощности, особенно с ростом диаметра и глубины скважин.
Следовательно, возникает необходимость совершенствования и разработки новых способов очистки скважин от бурового шлама.
Выпускаемые ШД являются неремонтопригодными, не подлежат восстановлению и 80 % из них преждевременно выходят из строя из-за износа опор и вооружения. Ресурс долот при этом остается невыработанным. Кроме того, ШД имеют на вооружении дорогостоящий металлокерамический твердый сплав (ВК8В, ВК11ВК и др.), и до настоящего времени нет эффективной технологии его извлечения из отработанных ШД.
Отсутствует технология централизованной переработки и реставрации изношенных буровых долот, в связи с чем остро стоит вопрос разработки методов вторичных конструктивных обоснований БИ и технологии его утилизации.
Таким образом, важное значение приобрела научная проблема теоретического обоснования и разработки эффективных БИ и целого ряда технологий их использования при бурении на ОГР, решение которых внесет существенный вклад в повышение уровня рентабельности горных предприятий.
Диссертационная работа основана па материалах и результатах исследований, проведенных при непосредственном участии автора в течение 1995 — 2005 г.г. на кафедре "Горные машины и комплексы" ГОУ ВПО "ГУЦМиЗ" по научно-техническим (государственным) программам Госкомвуза РФ и Минобразования РФ и по прямым договорам с предприятиями горнодобывющей и металлургической промышленностей.
Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка буровых инструментов и технологий их применения, обеспечивающих интенсификацию процессов разрушения пород, повышение производительности и экономичности бурения взрывных скважин на карьерах.
Основная идея работы заключается в создании эффективных разборных буровых инструментов и способов удаления бурового шлама, соответствующих специфике условий бурения взрывных скважин.
Основные защищаемые научные положения диссертации:
1. Эффективное функционирование системы «горная порода - буровой инстру
мент — буровой станок» достигается созданием специализированных буровых
инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования
корпусных деталей и взаимозаменяемостью породо разрушающих элементов, а
также установлением пропорции между применяемыми типами долот и объе
мами буримых пород по крепости.
2. Разработанные конструкции и практика применения долот с зубчато-
дисковыми шарошками обеспечивают двукратное повышение стойкости по
сравнению с режущими долотами со стационарными резцами и расширяют об
ласть эффективного применения высокоскоростного бурения резанием в слож-
ноструктурных породных .массивах с f < 8, имеющих включения до Г= 10 - 12.
Созданная теория и математическая модель взаимодействия вооружения ДЗДШ с разрушаемой породой, а также конструктивных и юродинамических параметров с показателями систем очистки скважины от бурового шлама являются достаточной основой для определения рациональных режимов бурения и параметров буровых станков.
Предложенный пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство - шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор -обеспечивают рациональный режим очистки, увеличение скорости подъема бурового шлама из скважины, снижение расхода и давления воздуха.
Разработанные методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации буровых инструментов значительно повышают эффективность использования их ресурса.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием и согласованностью теоретических исследований и опытных испытаний разработанных способов и устройств очистки скважин, конструкций буровых инструментов, способов их конструктивных преобразований; применением методов смещенных гипербол, статистического и математического анализа, конечно-элементных технологий моделирования (численных методов расчета), а также кинематических исследований новых буровых инструментов. Научно-технические рекомендации и разработки диссертации подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытании новых буровых инструментов, технологий их восстановления и способов удаления бурового шлама, проведенных на карьерах Сибири и Хакасии.
Научная новизна результатов исследований состоит в:
разработке экономико-математической модели системы «горная порода —буровой инструмент — буровой станок», включающей описание процесса вращательного бурения методом смещенных гипербол;
обосновании целесообразности создания разборных буровых инструментов с возможностью многократного использования деталей, взаимозаменяемости no-
родоразрутающих элементов и для применения в широком диапазоне изменения горно-технологических условий бурения;
обосновании осевых усилий, необходимых для устойчивой работы долот с зубчато-дисковыми шарошками;
разработке пнсвмо-эжекционного способа и устройства очистки скважины от бурового шлама;
оценке влияния конструктивных, аэродинамических, кинематических и технико-экономических параметров долот с зубчато-дисковыми шарошками на эффективность процесса бурения;
обосновании способов конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента;
разработке экономико-математических моделей забойного процесса для сравнительной оценки и прогнозирования эффективности буровых инструментов с учетом их новых конструктив но-потребительских качеств и конструктивных преобразований.
Практическая и методологическая значимость результатов работы состоит в разработке:
ряда новых видов специализированных буровых инструментов, способных осуществлять эффективное бурение взрывных скважин в расширенных диапазонах изменения горно-геологических условий и составить успешную конкуренцию дорогим отечественным и зарубежным шарошечным долотам;
буровых долот с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ), обеспечивающих в сложноструктурных породных массивах с f < 8 (при наличии включений до f = 10 -12) повышение скорости и экономичности бурения в 1,3 - 1,5 раза по сравнению с шарошечными долотами и увеличение стойкости породоразрушающих элементов в 2 раза по сравнению с режущими долотами;
- методики определения рациональных конструктивных и аэродинамических
параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса
очистки скважины от бурового шлама;
методики определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих устойчивую работу их с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот;
пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама и шнекового пнев-мо-эжекционного эвакуатора, повышающих эффективность процесса очистки скважин при бурении сложноструктурных породных массивов и снижающих энергоемкость процесса очистки скважин;
методов конструктивных преобразований бурового инструмента, обеспечивающих повышение ресурса работы долот и снижение расходов на бурение;
методов извлечения твердосплавных зубьев из отработанных шарошечных долот, что приводит к экономии ресурсов;
Результаты работы реализованы в следующих направлениях. В научно-технических программах и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:
«Исследование и разработка перспективных способов и устройств бурения крепких пород», № гос. регистрации 01900059971, 1995 г. - Заказчик: Госкомвуз РФ;
«Разработка технологии, проектирование участка и изготовление шарошечного и режуще-вращательного бурового инструмента», № 390/98, 1998 г. — Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;
«Теоретические основы извлечения твердого сплава из бурового инструмента с целью его вторичного применения». Единый заказ-наряд, 1996-1998 г.г. — Заказчик: Минобразования РФ;
«Разработка перспективных способов и устройств для бурения крепких пород», 1999 г.-Заказчик: Минобразования РФ;
«Проектирование участка, разработка технологии изготовления и восстановления бурового инструмента», № 852/00, 2000-2002 г.г.- Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;
«Разработка и поставка разборных шарошечных буровых долот режущего действия», № М-04-01, 2004 г. - Заказчик: ООО «Черногорская угольная компания», ОЛО «СУЭК»;
«Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов»; НТГТ «Научные исследования высшей школы по
* приоритетным направлениям науки и техники»; № гос. регистрации
01200309829, 2003-2004 г.г. - Заказчик: Министерство образования и науки РФ. Долота РШД-244,5, и ДЗДШ-244,5 - включены в каталог научно-технических разработок по подпрограмме «Топливо и энергетика».
В промышленности:
- проект участка и техническая документация для изготовления специализиро
ванного бурового инструмента и восстановления долот приняты к использова
нию на ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;
^' - опытная партия долот ДЗДШ-244,5-3 реализована на Мазульском руднике ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;
опытные образцы долота ДРВУ—244,5-3 реализованы на ОАО «Угольный разрез Чалпан» (Республика Хакасия);
опытная партия долот ДЗДШ-244,5-3 и ДЗДШ-244,5-4 реализована на разрезе «Черногорский» ООО «Черногорская угольная компания» (Республика Хакасия);
л - результаты опытных испытаний долот ДЗДШ положительно оценены в ОАО
«СУЭК». Рекомендовано провести полномасштабные испытания долот на четырех разрезах Хакасии, по результатам которых принять решение об организации серийного производства на Бородинском рс.монтно-механическом заводе для горнодобывающих предприятий;
- технология восстановления шарошечных долог передана на ОАО «Ачинский
глиноземный комбинат», по которой восстановлена опытная партия долот, реа-
Ш' лизованная на Мазульском руднике;
- пакет технологической документации на изготовление специализированных
долот (РШД-244,5, ДЗДШ 244,5-3 и ДЗДШ 244,5-4) принят к реализации в ОАО
«Сибирский инструментальный завод»;
пакет конструкторской документации на изготовление устройства для пневмо-эжекционной очистки - шнекового пневмо-эжекционного эвакуатора (ШПЭ-244,5)- передан на ремонтно-механический завод ОАО «Сорский горнообогатительный комбинат» (Республика Хакасия), по которой изготовлен опытный экземпляр устройства;
пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и устройство ШПЭ-244,5 испытаны на Мазульском известняковом руднике ОАО «АГК».
В учебном процессе:
- основные результаты диссертационной работы, изложенные в пяти учебных
пособиях (2 - автор А.В. Гилев, 3 - авторы В.Д. Буткин и А.В. Гилев), исполь
зуются в учебном процессе ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»;
- изготовленный стенд «Пневмо-эжекционный способ очистки скважин» ис
пользуется в научно-исследовательских работах студентов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались:
- на Международных конференциях: «Актуальные проблемы ресурсосбереже
ния при добыче и переработке полезных ископаемых» (Красноярск, 1996 г.); по
открытым горным работам (Москва, 1996 г., 1998 г.); «Проблемы разработки
месторождений глубоких карьеров» (Челябинск, 1996 г.); «16ТН ANNUAL
ISTD TECHNICAL CONFERENCE» (Las Vegas, Nevada, USA, 1996); Всерос
сийской научно-практической конференции и выставке с международным уча
стием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (Красно
ярск, 1999 г.); «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторожде
ний: современное состояние и перспективы решения» (Мирный, 2001 г.); на на
учных симпозиумах «Неделя Горняка» (Москва, 1999, 2005 г.г.); «Компьютер
ное моделирование и информационные технологии в пауке, инженерии и обра-
зовапии» (Пенза, 2003 г.); «Современные технологии освоения минеральных ресурсов (Красноярск, 2004, 2005 г.г.);
- на Всероссийских конференциях: «Перспективные материалы: получение и
технологии обработки» (Красноярск, 1998 г.); «Перспективные материалы, тех
нологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 1998, 2001, 2002 г.г.), VII Все-
* российской конференции с участием иностранных ученых «Современные мето-
ды математического моделирования природных и антропогенных катастроф» и ITT Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003 г);
- на научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2003
г.), на конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП Минобра
зования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направ-
0, лениям науки и техники» (Москва, 2004 г.).
Личный вклад соискателя в работу состоит: в постановке цели и задач
диссертационной работы; разработке ряда конструкций специализированных
буровых инструментов (защищенных патентами) и их систематизации; научном
обосновании рациональных режимов бурения долотами ДЗДШ; установлении
влияния конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ на за
кономерности движения бурового шлама при пневматическом и шнекопневма-
- тическом способах очистки скважины; в разработке пневмо-эжекционного спо-
соба эвакуации бурового шлама и устройства для его реализации; разработке ряда методов конструктивных преобразований и утилизации буровых инструментов с обоснованием их эффективности.
Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором.
По теме диссертации всего опубликовано 75 научных работ, в том числе 2 *' монографии, 5 учебных пособий, 9 статей в центральных изданиях, представлено 10 докладов на международных научно-практических конференциях, получено 14 патентов на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 386 страниц машинописного текста, включая 120 рисунков, 42 таблицы и библиографический список литературы из 167 наименований.
Введение содержит обоснование актуальности работы, основные научные положения диссертации, ее научную и практическую значимость.
В первой главе дана оценка проблемы и перспективных направлений совершенствования конструкций и технологий использования буровых инструментов на карьерах, определены задачи и методы исследований.
Во второй главе изложены теоретические основы создания специализированных долот для открытых горных работ и даны методики оценки эффективности функционирования системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок».
Третья глава посвящена выбору и разработке базовых моделей специализированных буровых инструментов. Дана их систематизация по конструктивным признакам и области применения.
Четвертая глава содержит исследование и разработку долот режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками. На основе кинематических исследований дано обоснование двукратного повышения стойкости долот ДЗДШ по сравнению с режущими долотами со стационарными резцами.
В пятой главе представлены исследования режимов работы долот с зубчато-дисковыми шарошками и способов очистки скважин от бурового шлама с учетом конструктивных и аэродинамических параметров ДЗДШ. Рассмотрены результаты опытно-промышленных испытаний долот ДЗДШ и нового способа очистки скважин от бурового шлама.
В шестой главе изложены методы конструктивных преобразований бурового инструмента, его восстановления и утилизации. Приведены результаты опытно-промышленных испытаний восстановленных долот и дана методика технико-экономической оценки эффективности их работы.
В заключении обобщены основные результаты, полученные в диссертационной работе. В приложении к диссертации приведены справки о внедрении и акты реализации основных технических решений, предложенных в работе.
Автор глубоко признателен Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору В.Д. Буткину за научные консультации и неоценимую методологическую помощь при работе над диссертацией.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность коллективу кафедры «Горные машины и комплексы» Красноярского государственного университета цветных металлов и золота за поддержку при выполнении диссертационной работы. Отдельная признательность — доценту В.Т. Чеснокову за помощь в проведении опытно-промышленных испытаний.
Автор благодарит инженерно-технические персоналы ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод» и другие предприятия за оказанную помощь в проведении опытно-промышленных испытаний и реализации предложенных научных разработок.
Тенденции развития техники бурения взрывных скважин
Из трех применяемых на карьерах России основных способов бурения — шарошечного, вращательного резанием и ударно-вращательного - преобладает шарошечный способ, на долго которого приходится до 83 % всех объемов бурения.
Создание и освоение отечественных станков типа СБШ сыграло огромную роль в развитии теории, техники и технологии бурения на карьерах. Эти станки, обладая в определенной степени признаками универсальности (по виду бурового инструмента и диаметру скважины) и способностью изменять в широком диапазоне режимные параметры, позволили испытать и применить ряд перспективных буровых инструментов режущего и комбинированного типов при различных способах очистки скважин (пневматическом, шнековом и шнекоп-невматическом).
Накопленные опытные данные и теоретические разработки показали следующее:возможность значительного расширения области бурения режущими долотами скважин диаметром 160-270 мм на силовых режимах и при замене шнеко-вой очистки пневматической и шнекопневматической;перспективность комбинированных буровых инструментов: режуще-шарошечных (РШИ), ударно-шарошечных (УШИ), режуще-ударных (РУИ);необходимость пересмотра рациональных границ использования различных способов и средств бурения с учетом изменений в экономике горной промышленности, конструкциях и качестве буровых инструментов и станков, появления новых твердых сплавов, конструкционных материалов, средств электроники и т.д.;условность деления буровых станков по способу бурения на СБР, СБУ и СБШ и целесообразность их классификации прежде всего по технологическому назначению при строго обоснованной типизации условий применения.
При выборе базовых моделей буровых станков и их модификаций необходимо учесть ряд изменений в технологии, горно-геологических и экономических условиях ведения горных работ (и технологических требований):1. Четкую тенденцию к увеличению диаметра взрывных скважин, объясняемую стремлением использовать на карьерах простые гранулированные и комбинированные (смесь эмульсионных и гранулированных) ВВ как наиболее дешевые и позволяющие полностью механизировать процесс как их приготовления, так и заряжания ими скважин. Необходимый уровень работоспособности зарядов таких ВВ (скорость детонации, удельная концентрация энергии и др.) достигается увеличением диаметра скважин.2. Рост числа глубоких карьеров (Н 150-300 м) и в связи с этим увеличение крепости горных пород и вероятный рост потребности в мобильных буровых станках с диаметром бурения скважин 200-220 мм из-за стесненных условий и сейсмических ограничений.3. Вероятный рост объемов бурения глубоких (до 35-40 м) наклонных скважин в связи с расширенным освоением кранлайнов и другой экскавацион-ной техники, позволяющей разрабатывать карьеры высокими уступами.4. Увеличение объемов бурения на разрезах режущими, дисковыми и комбинированными долотами на повышенных скоростях подачи в связи с намеченным ростом добычи угля от 260-280 млн т в 2005 г. до 450-500 млн т в 2020 г. преимущественно открытым способом на Востоке страны.
Основные принципы построения типоразмерного ряда карьерных буровых станков, заложенные в исследованиях институтов ИТТКОН РАН, ИГД им. Скочинского, НИИОГР, МГГУ, ИГД УрО РАН и др., по-видимому, не претерпят значительных изменений. Оптимизации по критерию стоимости бурения подлежат диапазоны изменения диаметра бурения на базовых моделях. При этом одним из основных факторов, определяющих стоимость бурового станка той или иной модификации, остается его масса, зависящая не только от диаметра бурения, но и от типа бурового инструмента (рис. 1.2) и способа очистки скважин [12].
С учетом вышеизложенного один из возможных ориентировочных вариантов типизации условий бурения и формирования типоразмерного ряда станков на модульном принципе их построения представлен в табл. 1.3. Наряду со специализированными станками предусматривается расширенный ряд их комбинированных модификаций, позволяющих применять различные буровые инструменты, т.е. реализовать все способы механического бурения и два способа очистки скважин - пневматический и шнекопневматический.
Дискуссионными являются вопросы о целесообразности сохранения узкоспециализированного шнекового бурового станка СБР-160 и о диапазоне изменения диаметра бурения на комбинированных модификациях станков.Проектирование и создание буровых станков по модульному принципу (различные модификации на основе базовых моделей) широко распространены на зарубежных фирмах развитых стран.
Наиболее четко это проявляется в конструкциях станков типа НВМ немецкой фирмы «Хаусхерр». Ряд моделей станков этой фирмы рассчитан на применение шарошечных, режущих и пневмоударных инструментов [4, 7]. Основной производитель шарошечных станков в России ОЛО «Рудгор-маш» наряду со станками СБШ-250МНА-32 в различных исполнениях изготавливает по заявкам предприятий модели СБШ-190/250-60, ряд новых модификаций СБШ - РД-10 (00, 02, 04, 08) и др. [11]. Однако следует отметить, что прогрессивные разработки и рекомендации институтов производителями используются далеко не полностью.
В отличие от зарубежных фирм в России предложено оснащать ряд типоразмеров буровых станков шиекоппевматической очисткой (ШПО) скважин в связи с распространенностью сложноструктурных породных массивов (преимущественно на угольных разрезах) и осложненными условиями бурения (за-карстованные зоны, слои вязких влажных глин и т.д.).ШПО значительно повышает скорость проходки скважин и стойкость долот, улучшает энергетические и экономические показатели бурения при лучшем соотношении режимных параметров, снижает расход шнеков. Этот способ очистки наиболее изучен при бурении скважин диаметром 125 мм (станки 2СБР-125), 160 мм (станки СБР-160, БТС-150), 190 мм (станки СВБК-200 и СБШК-200) и в меньшей степени (эпизодически) при диаметре скважин 244,5 мм (станки СБШ-250 МНА).
Заслуживает внимания предложение КузГТУ [1] о создании для угольных разрезов двух универсальных станков типа СВБ-200/250 для бурения скважин глубиной до 60 м диаметрами 215,9; 244,5 и 269,9 мм (с осевой нагрузкой до 320 кЫ, массой 60 т) и СВБ-125/160/190 для бурения скважин глубиной до 45 м (с осевой нагрузкой до 175 кН и массой 30 т). Так как для каждого диаметра долота требуются отдельны буровые ставы шнекопневматического типа (диаметром до 265 мм и шагом спирали 300 мм), разные и достаточно громоздкие кассеты для штанг и мощные вращатели, то выпускаться могут лишь отдельные типоразмеры этих универсальных станков, которые по существу представляют собой виртуальные базовые модели для четырех-шести модификаций. Следовательно, значительных противоречий по сравнению с модификациями станков, предложенными в табл. 1.3, не возникает.
Закономерности процесса вращательного бурения (забойного процесса) и формирование экономико-математической модели системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок»
Теоретической основой установления рациональных параметров и показателей перспективных буровых инструментов, прогнозирования направлений их совершенствования является математическая модель технологического процесса бурения.
Для оценки качества долота и эффективности его использования важное значение имеет зависимость текущей проходки долота /от времени бурения. Определение конкретного вида кривых бурения !{t) для различных конструкций буровых инструментов с учетом горно-геологических условий и режимов бурения является одной из важных задач в теории бурения на карьерах.
Большинство исследователей заранее задаются экспоненциальным законом изменения механической скорости бурения V и аппроксимируют функцию l(t) выражениемгде V0 - начальная скорость бурения; t — время чистого бурения; ф - коэффициент интенсивности падения скорости бурения во времени вследствие изнашивания долота.
Для обработки и анализа экспериментальных данных, полученных на карьерах, пользоваться формулой (2.1), как и многими другими, как правило степенными, неудобно и сложно. Проф. М.М. Протодьяконов (младший) установил, что при бурении резанием шпуров и скважин твердосплавными коронками зависимости 1(e) и V(t) носят асимптотический характер и хорошо описываются уравнением смещенных гипербол видагде Vk- конечная скорость бурения; /0 - начальная ордината наклонной асимптоты; t0- постоянная времени бурения (по определению М.М. Протодъяконо ва).
Обработка экспериментальных данных по методу смещенных гипербол показала, что процесс бурения современными ШД (как классического типа, так и с зубчато-дисковыми шарошками) можно аппроксимировать частным видомуравнения (2.2)где /,- теоретическая максимальная проходка долота.
Путем преобразования координат уравнение (2.3) приводится к линейному видучто позволяет на основе опытных данных определить параметры /, и t0 не только расчетным, но и графическим способом (рис. 2.4). Сопоставление (2.5) и (2.6) показывает соответствие уравнения (2.6) известной зависимости общего характера (2.1) и следующей из нее формулы
Зависимость вида (2.7) имеет место в глубоком бурении (Г.Д. Бревдо [51], К.А. Чефранов), а ее графическая интерпретация (рис. 2.5) в несколько иной форме отмечена проф. Ф.А. Шамшевым в области геологоразведочного бурения твердосплавными коронками. Это подтверждает общий характер зависимостей для всех видов бурового инструмента вращательного бурения и правильность их описания смещенными гиперболами. В отличие от твердосплавных коронок при использовании ШД в формулы функций К(/)и К(/)нами вводится ордината асимптоты 1Г.
Теоретические исследования, проведенные в настоящей работе, позволили сформировать математическую модель забойного процесса работы существующих и новых моделей БИ в виде совокупности следующих зависимостей:
Установленные зависимости, характеризующие забойный процесс работы долота, входят составной частью в выражение (модель) критерия оптимальности системы «горная порода - буровой инструмент - буровой станок» (ГП-БИ-БС), учитывающее параметры БС и обширный комплекс горногеологических и технико-экономических условий бурения (рис. 2.2). Среди ряда критериев оценки эффективности функционирования системы ГП-БИ-БС (удельная энергоемкость, производительность и др.) наиболее общим и представительным критерием является минимум удельных затрат ресурсов на бурение 1 м скважины.
Математически для проектных целей принятый технико-экономический критерий в самом общем виде выражается уравнением где S - удельные затраты на бурение, руб/м; С(/- стоимость долота, руб; скудельные затраты времени на вспомогательные операции, мин/м; у стоимость машино-часа производственной работы БС, выраженная соотношением у = А/(ТС //); А - стоимость мшиносмены, руб; Тс - продолжительность смены, ч; т\ - коэффициент эффективного использования станка в течение смены.
В уравнение (2.12) входят текущие значения скорости бурения V и проходки долота /, которые выражаются в различных фор.мах в зависимости от решаемых задач, поэтому и математическая модель (2.12) также изменяется при сохранении общей структуры. Вводя в (2.12) функцию (2.11), получим следующее выражение экономико-математической модели системы «ГП-БИ-БС»:Условие dS/dl = 0 приводит к форме оптимальной стойкости долота Анализ с помощью уравнений (2.13) и (2.14) опытных данных по эксплуатации ШД показал, что в себестоимости 1 м взрывных скважин затраты на ШД даже при рациональных режимах их работы превышают остальные затраты (в крепких и абразивных породах в 2 - 3 и более раз) из-за высокой стоимости ШД и плохой их адаптации к различным горным породам. Высокая стоимость ШД обусловлена тем, что на ОГР применяют ШД, принципы создания которых, как уже отмечалось, определены в основном условиями проходки глубоких скважин, требующими применения сложной и затратной технологии изготовления неразборных долот.
Буровое долото режуще-скалывающего действия (ДЗДІІІ-УК)
Существующие многошарошечные долота скалывающе-дробящего действия состоят из корпуса, крепящейся к нему крестовины, четырех лап и шарошек, две из которых боковые наклонные, а две другие малью. Смонтированы они на горизонтальной оси и имеют коническую форму, как и боковые, а также опоры качения (шариковые и роликовые). Образующие зубков боковых шарошек не пересекаются на оси долота, а в малых шарошках зубцы нарезают породу по спирали. Благодаря этим особенностям долота производят скалывающе-дробящее действие с элементами резания породы [19J. w Однако использование этих долот не позволяет устранить такие недостат ки, как сложность конструкции, трудоемкость изготовления, высокую стоимость по сравнению с долотами режущего типа.
У предлагаемого долота [82] (рис. 3.5) имеются следующие особенности: корпус оснащен двумя парами породоразрутающих дисков (периферийными и диаметрально расположенными), в каждом из которых диски установлены на двухопорных осях под углом к горизонтальной плоскости с наклоном в сторону оси вращения долота так, чтобы их зубья контактировали с забоем вблизи стен-ф, ки скважин; диаметрально расположенная пара дисков установлена в общих ребрах по одной линии (в известных долотах ребра для каждого диска находятся под углом); периферийные диски больше диаметрально расположенных дисков в 1,5-2 раза; ребра имеют отверстия для закрепления внутренних концов двух наклонных осей вращения периферийных дисков.
Периферийные диски, имеющие форму усеченного конуса, установленные в лапах под углом к плоскости забоя, в отличие от диаметрально установлен-ных дисков, перекатываются по периферии забоя скважины, разрушая породу смятием и сколом, создавая обширную свободную дополнительную кольцевую поверхность. Диаметрально расположенные по одной линии диски, установленные в ребрах, имея высокий коэффициент скольжения, разрушают породу в центре забоя не только резанием, но и сколом, т.к. эта часть забоя предварительно оконтурена кольцевым обнажением и находится в напряженном состоянии от непрерывного возмущения периферийными дисками.Л Использование дисков, соотношение диаметров которых меньше 1,5 ибольше 2 раз, приводит к неэффективной схеме разрушения забоя и не позволяет расширить область применения долот. Линейная ориентация ребер диамет ральных дисков не только упрощает конструкцию корпуса, но и облегчает его изготовление, дает возможность размещения мощных опор периферийных дисков и обеспечивает создание высоких осевых нагрузок на них. Благодаря этим особенностям в сочетании с возможностью изменения с помощью эксцентриситета вылета дисков по вертикали долото приобретает новые свойства для эф 0 фективиого разрушения крепких пород.
Долото состоит (рис 3.5) из корпуса 1 с ребрами 2, двух малых породораз-рушающих (режущих) дисков 3, шлицевых втулок 4 и шлицевых осей 5 режущих дисков. По обе стороны от ребер находятся лапы 6 с закрепленными наклонными осями 7 для установки пары периферийных дисков 8.
Эксцентрики опор используются не только для изменения диаметра бурения, но и по новому назначению: для повышения эффективности разрушения горных пород. В крепких породах диаметральные диски с помощью эксцентри ш ка устанавливают с отставанием от периферийных дисков на величину h, поэтомудиски 3 разрушают часть забоя 9, ослабленную кольцевым вырубом 10 с эффектом крупного скола.
В слабых породах диаметральные диски с помощью эксцентрика устанавливают с опережением периферийных дисков на величину h, легко проникая в забой резанием и ослабляя участки забоя 9, которые благодаря образующемуся центральному вырубу активно разрушаются дисками 8 с элементами скола.В целом долото создает комбинированное режуще-скалывающее действие на забой скважины, расширяя область использования в сторону крепких пород и в то же время являясь более простым по конструкции, чем многошарошечное долото. Применяемые в горной промышленности бескорпусные (секционные)двух- и трех шарошечные долота состоят из сваренных между собой в единую конструкцию лап (секций), на цапфах которых на телах качения и скольжения смонтированы шарошки, обращенные конусами внутрь долота, оснащенного присоединительным ниппелем и каналами для продувки (промывки) скважины и продувки или смазки опор. При этом для улучшения очистки скважины наряду с предпочтительными центральными продувочными каналами в верхней части лап размещают эжекционные каналы, направленные вертикально вверх [83].
Недостатками таких долот являются неразборность конструкции и сложность технологии изготовления, однократность использования сварной конструкции, повышенный износ лап и узкая область применения долота, т.к. на нем монтируются шарошки какого-либо одного типа (фрезерованные, штыревые и др.), рассчитанные на бурение горной породы определенных свойств. \0 Кроме того, чрезмерная открытость пространств между лапами, расположение эжекционных насадок в лапах высоко над шарошками (близко к ниппельной части) и направленность эжекционных струй вертикально вверх обусловливают
Особенности конструкции и кинематика работы долота ДЗДШ
Износ резцов, как было установлено исследованиями режущего инструмента, является пропорциональным пути трения резца в контакте с породой, ее крепости и абразивности.
Путь трения, который проходят резцы, зависит от радиуса их расположения на корпусе долота. Это обусловливает неравномерный износ резцов, увеличивающийся от центра долота к его периферии.
Долота с зубчато-дисковыми шарошками имеют принципиально иное конструктивное построение, которое отличает их как от режущих долот со стационарными резцами, так и от шарошечного бурового инструмента с конусными шарошками. Породоразрушающие элементы в долотах ДЗДШ установлены с возможностью изменения радиуса вращения каждого зуба шарошки относительно центра долота. Это изменяет кинематику долота.
Первая модель режущего долота с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ) показана на рис. 4.7. Долото состоит из корпуса 1, сменных зубчато-дисковыхшарошек (вращающихся резцов) 2 и опор скольжения. Шарошка имеет зубья. Разрушение горной породы производится пластинами твердого сплава, напаянными на торцевую (профильную) часть зуба.
Шарошка имеет простейшую опору скольжения, состоящую из оси 3 и двух шайб 4, и устанавливается в щелевом пазу корпуса. Ось 3 фиксируется шплинтом 5. В корпусе 1 долота выполнены резьба для соединения с буровой штангой и каналы 6 для подачи сжатого воздуха к забою скважины. Корпус изготавливался литьем, шарошки (тело) — штамповкой.
В отличие от шарошечного долота (с конусными шарошками), у которого ось конусной шарошки находится в диаметральной плоскости долота (или смещена параллельно ей на некоторое расстояние), ось вращения у режущей зубчато-дисковой шарошки перпендикулярна диаметральной плоскости долота. Такая ориентация плоскости вращения зубчато-дисковой шарошки коренным образом изменяет кинематику работы долота по сравнению как с шарошечными долотами, так и с применяемыми режущими долотами со стационарными резцами.
Рассмотрим кинематические особенности функционирования режущих долот с принятой ориентацией плоскости вращения зубчато-дисковых шарошек более подробно, с конкретными оценками применительно к долотам диаметром 245 мм.Зубчато-дисковые шарошки, установленные в корпусе долота, в скважине совершают перемещение по сложной траектории (рис. 4.8). Каждый зуб шарошки (точка Мс) вращается с частотой пш относительно ее оси (точка СЬ) и вместе с шарошкой также вращается относительно оси скважины Oi-Oj с частотой nd. Кроме того, под действием осевого усилия шарошка совершает поступательное движение и перемещается вдоль оси скважины Oi-Oj сверху вниз со скоростью, равной скорости бурения Vc, и за один оборот вращения долота (за один оборот вращения шарошки вокруг оси ОгО]) проходит вертикальный участок, равный величине внедрения долота в породу h. При этом зуб за один оборот вращения шарошки вокруг вертикальной оси скважины OpOj также перемещается вниз на определенный отрезок, а за один оборот шарошки проходит вертикальный участок ш (без учета сил трения в опоре скольжения на оси ОгИ возможного проскальзывания по стенкам скважины).
С каждым оборотом шарошки вокруг оси скважины ОгО] зуб возвращается на дугу а-н (рис. 4.9), а с каждым полуоборотом - на дугу 6-м. При перемещении по отрезку дуги а-ж и дуги б—ж зуб с породой не имеет контакта, т.е. разрушение породы он не производит. При перемещении по дугам ж-н и ж-м зуб с по родой контактирует, осуществляя ее разрушение и образуя рабочий сектор ж-м н. зубчато-дисковых шарошек, количества зубьев, установленных на них, и скорости бурения (рис. 4.9).
На стойкость зубьев шарошки, а следовательно, и на стойкость долота в целом оказывает влияние не только характер взаимодействия с породой, но и путь трения при их контакте в зоне разрушения.Для определения пути трения зуба при разрушении породы составим схему кинематической работы долота с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ-244,5) (рис. 4.10).Каждая шарошка, вращаясь вокруг вертикальной оси долота с частотой пд, за один оборот проходит в скважине путь, равный внедрению долота в породу h. При этом каждый зуб шарошки опускается в скважину, перемещаясь по дуге АБ на расстояние
Похожие диссертации на Научно-технические основы создания специализированных буровых инструментов и технологий их применения на карьерах
