Введение к работе
Актуальность и направленность работы. На открытых горных работах РФ более 85 % всех объемов буровых работ выполняется с применением шарошечных долот (ШД). На большинстве карьеров черной и цветной металлургии, представленных в основном крепкими породами, скважины бурят почти исключительно ШД диаметром 244,5-269,9 мм, имеющими значительную стоимость. Масштабы буровых работ на карьерах приближаются к доперестроечному периоду и ежегодные затраты на них в ближайшие годы могут достигнуть 6 млрд. рублей, из которых 60-65 % и более составят затраты на буровой инструмент (БИ).
Большие расходы на ШД обусловлены высокой стоимостью долот, являющихся достаточно сложными механизмами, конструктивные и ресурсные параметры которых при эксплуатации в полной мере не реализуются.
Практика применения ШД показывает, что 80% их выходит из строя вследствие преждевременного износа подшипниковых опор. Корпусные элементы и вооружение долот при этом остаются пригодными для дальнейшей работы.
Однако, серийные ШД не являются ремонтопригодными и на многих предприятиях к ним относятся в большинстве случаев как к инструменту одноразового использования. Эффективные технологии их восстановления и модернизации для дальнейшей эксплуатации не созданы.
Применяемые для изготовления бурового инструмента материалы весьма дорогостоящие, поэтому возникает целесообразность переработки изношенных буровых долот с целью повторного использования высококачественных сталей и отходов металлоксрамического твердого сплава (групп ВК, ВК-В, ВК-ВК и др.). Но эффективных технологий и технических средств для переработки изношенных долот нет. В связи с этим остро стоит вопрос разработки методов повторного применения долот и их утилизации.
Таким образом, проведение исследований, направленных на создание реновационных технологий для ШД, включающих разработку способов модернизации, ремонта, утилизации долот, является актуальной научно-технической задачей.
Диссертация основана на материалах, результатах исследований и реализации реновационных технологий при эксплуатации бурового инструмента, полученных с участием автора на кафедре «Горные машины и комплексы» института цветных металлов и золота ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при проведении НИР и НИОКР по научно-техническим программам Министерства образования и науки РФ, заказам предприятий горнодобывающей отрасли.
Объект исследования - буровой инструмент для открытых горных работ.
Предмет исследования - реновационные технологии при эксплуатации шарошечных долот.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации ШД за счет применения реновационных технологий, включающих ремонт, модернизацию, восстановление бурового инструмента и утилизацию ценных конструкционных материалов.
Основная идея работы заключается в миниминизации неокупаемых потерь труда и сырья, затрачиваемых на изготовление и эксплуатацию долот. Основными задачами исследований являются:
оценка ресурса элементов шарошечных долот и анализ использования ре
новационных технологий при их эксплуатации;
разработка модели процесса использования ШД;
обоснование и разработка эффективных способов ремонта, восстановления, модернизации и утилизации бурового инструмента.
Основные научные положения, представленные к защите:
1. Переход от одноразового применения серийных шарошечных долот к
эксплуатации их по разработанной системе реновационных технологий обеспе
чивает повышение коэффициента эффективности использования ресурса инст
румента в 1,3-1,5 раза и возможность повторного применения его ценных конст
рукционных материалов.
2. Особенности конструкции и взаимодействия зубчато-дисковых шаро
шек с забоем скважины (обусловливающие существенное снижение скорости
вращения шарошек на цапфах и возможность применения опор скольжения) оп
ределяют технико-экономическую целесообразность создания на базе серийных
ШД с изношенной подвижной частью модификаций долот режущего действия
зубчато-дискового или резцового типов,
3. Установленные зависимости и условия, характеризующие влияние теп
ловых, динамических и механических воздействий на силы сцепления твердо
сплавных штырей с телом шарошки, позволяют определять режимные парамет
ры установок и машин для извлечения твердого сплава из отработанных ШД.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием и согласованностью теоретических исследований и опытных испытаний разработанных реновационных технологий при эксплуатации бурового инструмента. Научно-технические разработки по ремонту, восстановлению, модернизации и конструктивным преобразованиям, а также утилизации бурового инструмента подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытаний на рудных и угольных месторождениях Красноярского края и Хакасии.
Научная новизна работы состоит в:
обосновании концепции и структурной модели процесса эксплуатации долот с использованием реновационных технологий, обеспечивающих повышение использования ресурса ШД;
выборе принципов построения новых модификаций буровых инструментов с зубчато-дисковым и резцовым породоразрушающим вооружением на базе использования корпусной части отработанных серийных ШД;
установлении зависимостей и условий, характеризующих влияние тепловых, динамических и механических воздействий на силы сцепления твердосплавных штырей с телом шарошки, что позволяет определять режимные параметры установок для извлечения твердого сплава из изношенных ШД;
установлении зависимости экономических потерь от уровня недоиспользования ресурсов конкретных элементов механизма ШД при изменении крепости пород;
обосновании и разработке оригинальных технологий и устройств извлечения твердого сплава из изношенного шарошечного инструмента, а также систематизации существующих способов;
определении особенностей взаимодействия зубчато-дисковых шарошек с забоем скважины и кинематических зависимостей, характеризующих их работу и определяющих область применения.
Практическая полезность работы состоит в разработке:
ряда новых способов создания модификаций буровых долот с зубчато-дисковым и резцовым вооружением на базе корпусной части изношенных серийных ШД, что повышает использование их ресурса;
способов и устройств извлечения твердосплавных зубков из тела шарошки, обеспечивающих компенсацию затрат на покупку бурового инструмента и снижение удельных затрат на бурение скважин;
новых видов долот с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДТТТ) и резцовых долот (РД), в том числе для сложных гидрогеологических условий;
методов конструктивных преобразований БИ, обеспечивающих снижение расходов на бурение;
методики и экономико-математической модели эффективности процессов восстановления и модернизации бурового инструмента.
Реализация результатов работы.
В научно-технических программах, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и проектах:
«Исследование и разработка перспективных способов и устройств бурения крепких пород», № гос. регистрации 01900059971, 1995г., заказчик: Госкомвуз РФ;
«Разработка технологий, проектирование участка и изготовление шарошечного и режуще-вращательного бурового инструмента, № 390/98, 1998 г., заказчик: ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» (АГК);
«Теоретические основы извлечения твёрдого 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 буровых долот режущего действия», № М-04-01, 2004 г., заказчик ООО «Черногорская угольная компания»;
«Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов», № гос. регистрации 01200309829; НТП «Научные
исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003 - 2004 г.г., заказчик: Минобразования и науки РФ. В промышленности:
проект участка, техническая документация для изготовления специализированного бурового инструмента и технология восстановления и утилизации долот приняты к использованию ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;
модернизированные долота ДЗДШ - 244,5 прошли опытные испытания на Мазульском известняковом руднике, в ОАО «Угольный разрез «Чалпан»» и на разрезе «Черногорский» (Республика Хакасия);
техническая документация на изготовление модернизированных долот ДЗДШ - 244,5-3 принята к реализации ОАО «АГК» и ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод».
В учебном процессе - материалы исследований используются при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных работ, НИР студентов.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные её результаты представлялись, докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-практической конференции и выставке с международным участием «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 1999 г.); международной практической конференции «Актуальные проблемы разработки ким-берлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения» (Мирный, 2001 г.); всероссийской научной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003 г.); научной конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники по подпрограмме «Топливо и энергетика» (Москва, 2004 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2005 г.); межвузовской научно - практической конференции «Инновационные процессы в современном образовании России как важнейшая предпосылка социально-экономического развития общества» (Красноярск, 2006 г.); научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2006 г.).
Личпый вклад соискателя в работу состоит в: постановке цели и задач диссертационной работы; научном обосновании новых методов и средств ремонта, модернизации, восстановления и утилизации ценных материалов бурового инструмента; разработке ряда способов извлечения твёрдого сплава из шарошек; участии в изготовлении и проведении испытаний опытных образцов инструмента.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ. Отдельные результаты исследований освещены в 2-х монографиях, 13 статьях, 13 патентах на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАК России, опубликовано 3 работы.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 140 страниц машинописного текста, включая 36 рисунков, 26 таблиц и библиографический список использованной литературы из 111 наименований.
Введение содержит общую характеристику, обоснование актуальности работы, основные научные положения исследований.
В первой главе дана оценка использования бурового инструмента на карьерах и применения реновационных технологий при его эксплуатации; определены цель, задачи и методы исследований.
Во второй главе изложены результаты исследований по оценке ресурсов элементов долот, созданию и разработке способов восстановления ШД, их расчетное и экспериментальное обоснование.
Третья глава посвящена оценке целесообразности и эффективности использования долот с зубчато-дисковыми шарошками и разработке способов модернизации шарошечных долот в долота режущего действия (зубчато-дисковые и резцовые).
Четвертая глава посвящена теоретическому и технологическому обоснованию способов извлечения твердосплавных зубков из шарошек и методам их реализации.
В пятой главе дана технико-экономическая оценка применения реновационных технологий при эксплуатации бурового инструмента.
В заключении обобщены основные результаты, полученные в работе.
В приложении приведена информация о реализации и апробации результатов диссертационной работы.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору А.В. Гилёву. Отдельная признательность заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору В.Д. Буткину за научные консультации. Автор благодарит членов кафедры «Горные машины и комплексы», инженерно-технических работников ОАО «Ачинский глинозёмный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод» за оказанную практическую помощь в реализации предложенных научных разработок.
