Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Сущность и основные особенности вращательного бурения шпуров 10
1.2. Резцы для вращательного бурения шпуров 13
1.3. Модели взаимодействия режущих инструментов с разрушаемым массивом 18
1.4. Влияние частоты вращения буровой штанги на силовые и энергетические параметры процесса бурения 29
1.5. Способы и технические решения по поддержанию рациональных режимных параметров бурения 33
Выводы по главе 1 и задачи исследований .39
Глава 2. Методика и техника исследований 42
2.1. Основные положения методики исследований 42
2.2. Выбор и характеристика горных пород для исследований 44
2.3. Экспериментальные стенды, измерительная аппаратура .45
Выводы по главе 2 51
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния частоты вращения на процесс разрушения породы, скорость и силовые параметры при бурении шпуров 53
3.1. Исследование процесса сколообразования породы буровым резцом 53
3.2. Исследование влияния частоты вращения резца на процесс тре-щинообразования под торцевой площадкой 61
3.3. Исследование влияния частоты вращения на скорость и силовые параметры бурения шпуров 66
Выводы по главе 3 82
Глава 4. Математическое моделирование процесса вращательного бурения шпуров 85
4.1. Разработка математической модели функционирования бурильной машины вращательного действия 85
4.2. Исследования на математической модели влияния частоты враще ния штанги на скорость, энергоемкость бурения и стойкость резцов по породам с различными прочностными характеристиками ... 95
Выводы по главе 4 100
Глава 5. Разработка способа управления режимными параметрами при вращательном бурении шпуров .101
5.1. Разработка способа и алгоритма управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении шпуров 101
5.2. Разработка технических решений реализующих способ и алгоритм управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении шпуров 105
5.3. Оценка эффективности управления частотой вращения буровой штанги 107
Выводы по главе 5 112
Заключение 113
Список использованных источников
- Резцы для вращательного бурения шпуров
- Выбор и характеристика горных пород для исследований
- Исследование влияния частоты вращения резца на процесс тре-щинообразования под торцевой площадкой
- Исследования на математической модели влияния частоты враще ния штанги на скорость, энергоемкость бурения и стойкость резцов по породам с различными прочностными характеристиками
Введение к работе
В мире около 40 % подготовительных и вскрывающих выработок при подземном способе добычи полезных ископаемых приходится на долю буровзрывного способа (БВС). Кроме этого, бурение шпуров осуществляется под анкерную крепь при комбайновой проходке, а при строительстве тоннелей и других подземных коммуникаций - для укрепления сводов и прилегающих к нему пластов горных пород.
Экономическое благополучие России определяется состоянием топливно-энергетического комплекса страны. Для обеспечения надежного энергоснабжения доля угля в производстве топливно-энергетических ресурсов должна возрасти с 12,2 до 17% (к 2020 году), а объем добычи составить 430-435 млн. т. в год.[1]. Подземный способ добычи угля занимает около 36% от общей добычи угля в стране. [2]. В угольной промышленности России более 50% объема подготовительных и вскрывающих выработок, проводимых с помощью БВС, приходится на Восточный Донбасс, на шахтах которого менее 10% выработок проводятся комбайновым способом.
Одной из основных задач деятельности любого горного предприятия, в том числе и угольной шахты, является воспроизводство фронта очистных работ, а именно проведение горных подготовительных и вскрывающих выработок, открывающих доступ к полезному ископаемому. Существующий уровень отечественной техники для горнопроходческих работ намного ниже аналогичного зарубежного. Выпускаемое оборудование морально устарело [2]. В соответствии с этим производительность труда в горнорудной промышленности России ниже, чем в США в 5 - 7 раз, а в угольной до 20 раз [3].
Для оценки эффективности работы горнодобывающей промышленности был введен показатель удельного объема проведения подготовительных выработок (Су), и в официальной статистике он приводится в погонных метрах на 1000 тонн добычи полезного ископаемого [4].
5 Несмотря на возрастающие объемы добычи угля, показатель удельного объема проведения выработок в последние годы имеет тенденцию к снижению. Тем не менее, буропогрузочные работы являются основными при проведении подготовительных выработок и занимают от 60 до 75% времени проходческого цикла. На один метр длины выработки среднего сечения приходится до 40 метров шпуров, на бурение которых тратится до 2-х часов времени.
Крепость пород в подготовительных забоях шахт Восточного Донбасса такова, что в более чем половине из них применяется вращательный способ бурения (сверления) шпуров, областью применения которого являются породы с коэффициентом крепости от 4 до 10 единиц по шкале профессора М.М.Протодьяконова и абразивностью до 25мг. Однако применение сверления шпуров по породам повышенной крепости (8 ...10 единиц) и абразивности (15...25мг.) сталкивается с проблемой сохранения скоростных качеств резца и значительным уменьшением его стойкости. Большинство современных конструкций бурильных машин для сверления шпуров имеют ступенчатое регулирования частоты вращения буровой штанги, что не позволяет в полной мере решить задачу выбора рациональных режимных параметров, особенно по породам повышенной крепости и абразивности.
Программа механизации производственных процессов в угольной промышленности предусматривает применение более производительных горных машин и оборудования [5].
Поэтому совершенствование техники сверления шпуров по-прежнему остается актуальной задачей, решение которой возможно на строгой научной основе. Выбор рациональных режимных параметров (частота вращения штанги п^, осевое усилие Ру, количество промывочной жидкости Q) применительно к конкретным условиям и поддержание их в процессе бурения позволит повысить эффективность эксплуатации инструмента и бурильных машин. В настоящее время достижения в области управляемого привода и микропроцессорной техники позволяют на качественно новом уровне подойти к решению данной задачи и создавать гор-
ное оборудование нового технологического уровня, которое повысит производительность труда в горнодобывающей промышленности страны.
Исходя из этого целью работы является повышение эффективности процесса бурения шпуров бурильными машинами вращательного действия в породах повышенной крепости и абразивности на основе обоснования и выбора рациональной частоты вращения штанги.
Основная идея работы заключается в увеличении скорости бурения и стойкости резцов, которое будет достигаться выбором и периодическим изменением в процессе бурения частоты вращения буровой штанги в зависимости от крепости буримых пород и степени затупления инструмента.
Научные положения, разработанные лично соискателем:
при вращательном бурении (сверлении шпуров) удельное количество сколов породы зависит не только от глубины срезаемой стружки, но и от разницы между внешним и внутренним радиусами резца, что приводит к повышению затрат энергии на разрушение; развитие трещин под торцовой площадкой резца, приводящих к ослаблению породного массива, зависит от времени её воздействия на подрезцовую зону, обратно пропорционального частоте вращения буровой штанги. Эти факторы заметно увеличивают влияние частоты вращения резца на величину усилия подачи и крутящего момента;
с увеличением частоты вращения штанги возрастают величины усилия подачи и крутящего момента на резце, независимо от конструктивных параметров режущей части инструмента и крепости породы;
достижение максимальных значений механической скорости бурения и стойкости резца возможно за счет настройки начального значения частоты его вращения на максимум по крепости породы и последующей корректировки её величины в зависимости от затупления инструмента и возможных изменений крепости породы.
7 Новизна научных положений состоит в следующем:
уточнен механизм сколообразования породы перед передней гранью бурового резца в зависимости от толщины стружки и радиусов кривизны траекторий движения внешних и внутренних точек режущих кромок инструмента, позволяющий объяснить причины влияния частоты вращения на рост затрат энергии на разрушение; удельное количество сколов при бурении шпуров 042...43мм увеличивается в 3,0...3,3 раза по отношению к резанию при линейной траектории движения резца с адекватными значениями ширины и толщины стружки;
впервые установлено, что пропорционально увеличению частоты вращения резца, уменьшается величина слоя породы нарушенного трещинами под торцовой площадкой резца, что приводит к росту удельных затрат энергии на разрушение;
установлены взаимосвязи силовых параметров с частотой вращения резца, характеризующиеся линейным увеличением значений осевого усилия и крутящего момента на резце с ростом частоты вращения. Данное явление имеет место при разных типах и крепости пород, а также разных конструкциях режущей части бурового инструмента;
уточнены зависимости для расчета средних значений усилия подачи и крутящего момента при вращательном бурении шпуров, отличающиеся от известных учётом влияния частоты вращения резца, что позволяет повысить точность расчетов в среднем на 30...35% и применять их с учетом установленных закономерностей сколообразования породы для математического моделирования функционирования бурильных машин;
разработан способ и алгоритм управления частотой вращения буровой штанги при вращательном бурении, а также реализующие их технические решения, обеспечивающие повышение скорости бурения и стойкости инструмента, отличающиеся тем, что частота вращения в процессе бурения периодически настраивается на рациональное значение.
8 Значение работы.
Научное значение работы состоит в совершенствовании теории функционирования бурильных машин вращательного действия и установлении конкретных закономерностей процесса вращательного бурения.
Практическое значение работы заключается в разработке способа управления частотой вращения штанги бурильных машин вращательного действия и технических решений, реализующих данный способ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ проведенных исследований, экспериментальные методы исследований. Для исследования процесса трещинообразования применен метод люминесцентной дефектоскопии, для исследования процесса сколообразования и влияния частоты вращения резца на скорость и силовые параметры вращательного бурения шпуров применен метод тензометрирования. Полученные результаты были обобщены и применены в математическом моделировании на современных ПЭВМ.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием теоретически обоснованных и проверенных методов исследования, периодической поверкой приборов и аппаратуры соответствующими службами, соблюдением необходимого порядка проведения экспериментов и применением статистических методов их обработки, сходимостью расчетных данных с результатами опытов, применением современных ПЭВМ для выполнения расчетов и обработки полученных результатов, оценкой адекватности разработанной математической модели, а также достаточной представительностью объема экспериментов, позволяющим с вероятностью 0,95 утверждать, что ошибки результатов не превышают 15-20%.
Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-технических конференциях: (1985-89, 1998-2004г.г.) ЮРГТУ (НПИ); на научном семинаре «Новое в теории, технологии и технике бурения» 21-23 ноября 1991г. ННЦ-ИГД им. А.А.Скочинского (г. Люберцы Мое-
9 ковской Обл.); на международном симпозиуме «Неделя горняка -2004», Московский государственный горный университет, (г. Москва); на 7-й международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» 15-17 декабря 2004г. ЮРГТУ (НПИ), (г. Новочеркасск).
Основные положения диссертации отражены в 10-ти печатных работах, ссылки на которые даны по тексту работы.
Структурно работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 95 наименований и 5 приложений; изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 14 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Н.И. Сысоеву и возглавляемому им коллективу кафедры «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и методические советы на различных этапах исследований и оформления работы.
Резцы для вращательного бурения шпуров
На сегодняшний день в России и за рубежом разработано большое количество конструкций буровых резцов для бурения шпуров в породах различной крепости. Многообразие конструкций вызвано, в первую очередь, невозможностью создания универсального бурового резца, пригодного к эффективной эксплуатации в забоях с различными физико-механическими свойствами. При разработке конструкции бурового резца преследуется основная цель — установление конструктивных параметров, удовлетворяющих как можно большему числу требований эксплуатации и производства.
В практике бурения шпуров известны конструкции резцов со сплошной (рис. 1.5, а-к), кольцевой (рис. 1.5, л) и ступенчатой формами разрушения забоя. Резцы со ступенчатой формой разрушения забоя имеют повышенный расход твердосплавного материала [10], усложненную конструкцию, что, в конечном счете, приводит к удорожанию инструмента.
Резцы с кольцевой формой разрушения забоя из-за трудностей, связанных с разрушением и удалением керна [10,11], не нашли широкого применения, а применяются в основном при геологоразведочных работах для отбора проб горных пород. В настоящее время для бурения шпуров применяются в основном буровые резцы со сплошной формой разрушения забоя.
По количеству перьев наибольшее распространение получили двухпе-ровые резцы. Трехперовые и многоперовые резцы применяются для бурения крепких и трещиноватых пород, но они требуют осевую нагрузку на 50-100% выше, чем двухперовые [12,13].
Для бурения по углю и слабым породам применяются резцы с V-образной формой рассечки (рис. 1.5, а), для пород средней крепости и крепких применяются резцы с U-образной формой рассечки (рис. 1.5, б-к). Режущие перья резца могут располагаться в одной или разных плоскостях, что необходимо для получения рациональных геометрических параметров режущих кромок. Установлено [8], что наклон и смещение перьев относительно плоскости, проходящей через диаметр инструмента, оказывают существенное влияние на значение передних и задних углов, которые многими исследователями характеризуются как главные факторы, определяющие прочность резца и производительность бурения. Расположение перьев в одной плоскости в основном продиктовано технологией изготовления пазов под армирующие пластинки, которые выполняются за один проход фрезы и характерны для угольных и углепородных резцов (рис. 1.5, а-б). При изготовлении пазов для перьев, расположенных в разных плоскостях, потребуется не менее двух установок корпуса
Причем форма передней части определяет и форму лезвия, которая может быть округленной, ломанной, пространственной и прерывистой. Выбор формы передней части пера, и лезвия резца основывается на получении прочных режущих кромок и рациональными углами резания [8].
Наиболее распространенными являются [8,12,14]: плоская форма передней части пера с ломаной формой лезвия (БИ-741, РУ-13М и др.) и округленная форма лезвия (РП-42, РП-42М). Резцы с ломаной формой лезвия имеют более высокие скорости бурения [13] и пониженные энергозатраты, а с округленной формой - более высокую прочность, что позволяет несколько повысить осевое усилие [15]. Остальные формы менее эффективны, уступают в производительности бурения и в экономичном использовании твердосплавного материала [10-15]. Кроме того, с точки зрения симметрии режущих перьев относительно оси вращения, резцы подразделяются на симметричные (РП-42, БИ-741 и т.д.) и асимметричные (РУ-13М). Асимметричные, по мнению авторов [12,16], обладают большей скоростью бурения и стойкостью. К асимметричным резцам относятся и дифференциальные резцы (РПД-42), отличительной особенностью которых является наличие разновысотно-сти одного пера по отношению к другому и его смещение к оси вращения [8]. Они имеют более высокие скорости бурения и меньшую массу твердосплавных пластин [17].
Применение алмазно-твердосплавных пластин (АТП) в виде круглой таблетки обусловило создание резца с плоской передней гранью и с округленно-прерывистой формой. лезвия (рис. 1.5, ж). В таблице 1.1 приведены технические характеристики некоторых отечественных конструкций резцов для вращательного бурения шпуров. Как видно, все резцы имеют рассечку от 7 до 13мм при диаметре буримого шпура 41.. .43 мм.
Выбор и характеристика горных пород для исследований
Поставленные задачи могут быть решены с помощью следующих методов исследований: экспериментально-статистического и математического моделирования. Выбор данных методов обусловлен особенностями процесса разрушения породы резцовым инструментом как, многофакторной системы с весьма неоднородными, изменчивыми свойствами разрабатываемой среды [62,63].
Нестабильность скорости бурения горных пород в пределах одного породного пласта с коэффициентом вариации, превышающим 20%, отмечалась авторами [64]. Такой размах варьирования выходного параметра относит скорость бурения, по мнению [65], к категории случайных процессов, в котором основными характеристиками входа будут: изменяющаяся во времени и пространстве сопротивляемость разрушению и изменяющаяся во времени режущая способность инструмента.
При решении задач по исследованию процессов разрушения пород при бурении и трещиноватости забоя шпура невозможно исключить влияние таких факторов, как неравномерность движения режущих кромок по забою и изменчивость свойств породы в пределах глубины шпура. Кроме того, разрушение породы при бурении шпуров происходит в ненарушенном массиве, для которого, по данным [63], пространство корреляции прочностных свойств составляет 6...7м., а так как глубина шпура в породе не превышает трех метров, мы можем сделать вполне логичное допущение об однородности свойств породы в плоскости пласта.
Экспериментальный подход основан на адекватности явлений происходящих при бурении шпуров в производственных и лабораторных условиях. Это подтверждается достаточной сходимостью результатов и многолетним опытом эксплуатации бурильных машин [9,13,34,38,67,68]. Условия поставленных задач и обоснованно принятые методы позволили сформулировать общий методологический подход к достижению цели работы: - анализ и систематизация исследований по процессам разрушения пород при резании и бурении, по влиянию параметров режима бурения на усилие подачи и крутящий момент, по способам и техническим средствам выбора и поддержания параметров режима бурения на рациональном уровне; - разработка методик и проведение экспериментальных исследований по процессам разрушения породы режущей кромкой бурового резца и под его торцевой площадкой; - разработка методики и проведение экспериментальных исследований по влиянию частоты вращения резца на усилие подачи, крутящий момент, скорость и энергетические параметры вращательного бурения; - разработка математической модели функционирования бурильных машин вращательного действия, составление алгоритма и его программная реализация на ПЭВМ; - разработка способа и алгоритма управления частотой вращения бурильных машин на рациональном уровне, при бурении по породам с постоянной и изменяющейся по длине шпура крепостью, с учетом динамики изменения состояния режущей части инструмента.
В соответствии с задачами исследований производился выбор горных пород для постановки экспериментов. Буровые резцы, принятые для экспериментальных исследований, в основном представлены серийными типами РП-42 и БИ-741 (рис. 1.5 в,г), а также опытной конструкцией породного резца, армированного алмазно-твердосплавными пластинками РП-43АТП(рис. 1.5 ж).
Методологический подход к решению частных задач изложен в соответствующих параграфах работы. В работе использованы материалы исследований, выполненных с личным участием автора в лаборатории сверления и погрузки крепких горных пород МУП СССР при Новочеркасском политехническом институте (НПИ).
Для обработки экспериментальных данных и хронометражных наблюдений применялся экспериментально-статистический подход, при этом результаты оценивались в соответствии с основными положениями математической статистики [69].
Выбор и характеристика горных пород для исследований
В соответствии с назначением и областью применения бурильных машин, а также для проведения экспериментальных исследований направленных на определение: основных параметров процесса разрушения пород при вращательном бурении; влияния частоты вращения на усилие подачи, крутящий момент, скорость и энергетические параметры, были выбраны представительные породы угольных формаций, либо горные породы с аналогичными им свойствами, с различными показателями крепости и абразивности.
Исследования режимов и процессов, происходящих при вращательном бурении шпуров, с получением наиболее достоверных данных согласно рекомендациям [31,43,70,71], должны проводиться на породах, для которых контактная прочность определяется по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана, а абразивность по методу Л.И. Барона и А.В. Кузнецова.
Исследование влияния частоты вращения резца на процесс тре-щинообразования под торцевой площадкой
Выполненные исследования процесса сколообразования породы перед передней гранью бурового резца позволили уточнить характер процесса, происходящего перед передней гранью и установить количественные зависимости процесса разрушения породы. Не меньший интерес у ученых, работающих в области бурового инструмента, вызывает процесс трещинообразо-вания породы находящейся под торцевой площадкой режущей кромки в процессе её движения по забою при бурении.
Целью данных экспериментальных исследований является получение максимально возможной и достоверной информации о процессе трещинооб-разования при бурении пород под торцевой площадкой бурового резца.
Для прояснения вопросов, связанных с трещинообразованием под торцовой площадкой резца был проведен ряд экспериментальных исследований по специальной методике с применением жидкости (люминофора ЛЖ-6А), обладающей большой проникающей способностью. Исследования проводились на стенде оригинальной конструкции рис. 2.2, при бурении с фиксированной подачей резца БИ-741 на забой (1,09 и 2,01 мм/об) и ступенчатым изменением частоты вращения от 22 до 1018 мин"1. Заявленный для исследований диапазон частот вращения выходит за пределы максимально допустимых значений для данных прочностных свойств пород, это было сделано преднамеренно для установления величины слоя породы нарушенного трещинами и в запредельной зоне частот вращения. Для построения графических зависимостей и обоснования полученных результатов вполне достаточно диапазона частот вращения от 22 до 450 мин"1.
Для достижения поставленной цели эксперименты необходимо выполнять на стенде [74] (рис. 2.2) и в следующей методической последовательности: блок исследуемой породы закреплялся на платформе 5 стола; производилось забуривание на глубину 25...40 мм; платформа с закрепленным блоком породы устанавливался на фиксаторы 8; из шпура удалялась буровая мелочь, и заливался люминофор ЛЖ-6А на 2/3 глубины забуренного шпура; поскольку размеры исследуемого блока породы незначительны, то для получения стабильного режима бурения при заданных кинематических параметрах, штанга с резцом приподнималась над забоем на высоту порядка 200 мм; производился запуск стенда и бурение шпура в блоке породы в установившемся режиме, в течение нескольких оборотов, так как люминофор ЛЖ-6А не допускает перегрева; после бурения производилась выдержка люминофора ЛЖ-6А в шпуре в течение 15..20 мин; буровая мелочь с остатками ЛЖ-6А выливалась и промывалась ненаправленным потоком воды в течение 15..20 мин; блок породы с пробуренным в нем шпуром распиливался алмазным диском на «шлифы» толщиной 5...7 мм (рис. 3.7); 3 - шлифы» (рис. 3.8) подвергались W Рис. 3.7 Схема распиловки блока породы: 1-блок породы; 2-шлифы; 3-порода срезаемая алмазным диском последующему шлифованию и анализу с 1/1 помощью люминесцентного дефектоскопа ЛД-4, с замером величины слоя породы нарушенного трещинами и отдельных трещин на микроскопе МБС-2 и фиксацией на фотопленку. В результате анализа «шлифов» нами отмечены две наиболее характерные зоны: зона мелких, взаимно пересекающихся, явно закрывшихся и не успевших развиться вглубь трещин; зона развития крупных, ярко выраженных трещин, не закрывшихся после деформации. В соответствии с этим и представлены результаты наблюдений и замеров величины зон шлифов пробуренных шпуров. В таблице 3.5 и на рис 3.9 представлены результаты экспери ментальных исследований при буре нии известняка 1 и песчаника 2 с удельной подачей 1,09 мм/об, а в таб лице 3.6 результаты эксперименталь ных исследований при бурении из вестняка 1 с подачей 2,01 мм/об. Рис. 3.8 Схема трещинообразования забоя шпура в блоке известняка при Анализируя результаты на IIO6=22MHH-1,S=2,01MM/O6 ЗМТ-зона блюдений За разрушением забоя мелких трещин шпура под люминесцентным дефектоскопом и данные таблиц 3.5 и 3.6 можно отметить, что величина обеих зон по всем образцам «шлифов» с увеличением частоты вращения резца, на обеих породах и величинах подач, уменьшается в среднем на 20...25% (рис. 3.9), 1? — i/ Д "" -2 \s-j. « / & в диапазоне исследованных частот вращения и величин подач. В то же время, анализируя результаты наблюдений под ЛД-4 и данные таблицы 3.6 можно отметить следующее. 200 400, п об ис.3.9 Зависимость глубины развитш трещин от частоты вращения резца
При частоте 22 мин"1 происходит более глубокая деформация забоя, крупные трещины имеют ярко выраженный характер, они отчетливо наблюдаются под люминесцентным дефектоскопом, даже без увеличения МСБ-2, и ориентированы вглубь забоя. Величина крупных трещин достигает 4,5 мм, а толщина деформированного слоя, без учета крупных трещин, составляет 1,0... 1,2 мм.
С увеличением частоты вращения уменьшается глубина отдельных крупных трещин и толщина деформированного слоя (рис. 3.9). Так при частоте вращения 491 мин"1 отдельные, крупные трещины имеют малую толщи 64 ну и плохо просматриваются. Их величина достигает всего 2.5...3,0мм, а толщина деформированного слоя, без учета крупных трещин, составляет 0,4...0,5 мм. Причем направлены крупные трещины не вглубь забоя, а под углом к его поверхности.
Различие проведенных двух групп экспериментов и полученных при этом результатов объясняется величиной удельной подачи, и тем, что при малой толщине срезаемой стружки крупные сколы практически отсутствуют по передней грани резца и т.д. с учетом площади вновь образованных поверхностей, а их при тонкой стружке наблюдается больше.
Исследования на математической модели влияния частоты враще ния штанги на скорость, энергоемкость бурения и стойкость резцов по породам с различными прочностными характеристиками
Оценка эффективности бурения шпуров с изменяемой частотой вращения может быть выполнена аналогично методики предложенной в работе [82]. Основными параметрами, характеризующими эффективность бурения с варьируемой частотой вращения в заданных условиях, являются: техническая скорость бурения Ve тех., энергоемкость бурения Hw, стойкость бурового резца LCT., стоимость бурильной машины ЦбМ и резца Ц, . Так как указанные параметры представляют собой частные, разноплановые критерии эффективности, то согласно [83] их необходимо свести к общему критерию. Применительно к нашему случаю может быть принят аддитивный критерий оптимальности С, а частные критерии можно будет представить в виде нормируемых значений. п С jai Ct - min 1=1 где Q- частный критерий, щ — весовой коэффициент і-го частного критерия, п - количество частных критериев по которым будем оценивать эффективность бурения с изменяемой частотой вращения.
В данном случае эффективность достаточно оценивать по четырем критериям, а именно: удельным затратам, обусловленным изменением технической скорости бурения Гбтех (С О, энергии затрачиваемой на бурение (С2), удельной стоимости инструмента (Сз), удельным затратам от амортизации бурильной машины (СД
Размерности частных критериев Q должны быть одинаковыми, поэтому параметры VQ , Hw, LCT., Щ,, Up надо привести к однородным показателям, в качестве которых могут быть приняты затраты связанные с бурением одного шпурометра. Тогда частные критерии могут быть представлены в следующем виде: - затраты, обусловленные снижением скорости бурения из-за потерь времени на замену инструмента руб/м, Сі = Цр.в.-1/Убтех, Где V6тех -техническая скорость бурения, УбТех=7уг; ; 1 / V б + tecn VQ - механическая скорость бурения, м/мин; tBcn. - время выполнения вспомогательных операций, мин; tecn.- lo.x. Ч.и. Чаб. Іман. tox- время обратного хода буровой каретки, мин; tj.H- время замены инструмента, мин; 109 tja6.— время забуривания шпура, мин; tMaH время наведения бурильной машины с одного шпура на другой, мин. В соответствии с [84] и по результатам производственных испытаний [9], величину t0.x.+ ки. можно принять порядка 2 мин, и і,аб.+ tMaH. также 2 мин.
Ц р.в. - приведенная стоимость скорости бурения (сколько рублей затрачивается на бурение одного метра шпура). Это значение условно можно выразить через объем буримых шпуров Lo6uiM и заработную плату бурильщика в месяц ЗП. Современные темпы проведения подготовительных выработок с помощью БВС, составляют 220...250 метров в месяц, по площади сечения выработки S=12 м , количество шпуров по породному забою с коэффициентом крепости f=8...9 составляет 45...50 шт. При коэффициенте эффективности использования длины шпура после взрыва равном 0,75 Ьобщ.м будет равна 15040 шпм/мес. Зарплата бурильщика, в среднем около 10 тыс. рублей. В соответствии с этими данными величина Cv = Ьобщ.м /ЗП составит 0,665руб/шпм. - затраты на энергию для бурения шпуров до отказа резца (характеризующегося предельным затуплением, либо снижением механической скорости бурения до минимально возможного значения) руб/м, С2=Н\УЦЭ, где Hw - удельный расход энергии на бурение одного шпурометра, кВт-ч/шпм; Ц э - цена энергии, руб/ кВт-ч. —затраты обусловленные стойкостью бурового инструмента руб/м, С3 = 7 Цр, где q ст.—удельный расход буровых резцов, шт/м, Ц р.- стоимость конструкции бурового резца, руб. — затраты обусловленные амортизационными отчислениями связанными со стоимостью конструкции бурильной машины и ее модернизацией, отнесенные к одному пробуренному ею шпурометру за время эксплуатации до капитального ремонта, по Сд =Цб.м. 1/Ь, Ц бм стоимость конструкции бурильной машины, руб; N мес — количество месяцев работы машины до капитального ремонта.
Стоимость конструкции бурильной установки, с учетом коэффициента инфляции составляет 1805 тыс. рублей. Модернизация бурильной машины для управления частотой вращения по предложенной структурной схеме оценивается нами на уровне (15...20)% стоимости бурильной машины. Ресурс бурильной машины между капитальными ремонтами составляет 17300 маш-ч, в соответствии с этим п мес будет равно 36. В качестве критерия эффективности принимаем показатель минимума затрат отнесенных к одному пробуренному шпурометру, C=al- Ci+a2- С2+аЗ- С3+а4- C4- min, где al, а2, аЗ, а4 - коэффициенты весомости частных критериев, они могут назначаться методом экспертных оценок, но сумма их в любом случае должна быть величиной постоянной [83].
Оценку экономической целесообразности бурения шпуров с изменяемой частотой вращения (рис. 5.7) выполнили на примере бурения резцом РП-42 по породе с коэффициентом крепости 1=9, а=20мг.
Причем анализ полученных результатов провели для двух случаев: - резец при бурении с постоянной частотой вращения заменялся на новый после бурения одного шпура, его остаточный ресурс (по VQ И F ) не превышал 25% от начального; - во втором варианте резцы в обоих случаях отрабатывали полный ресурс ПО V6 И Бзаг.
