Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния техники и технологии бурения скважин 9
1.1 Анализ состояния технологии бурения скважин 9
1.2 Анализ конструкций существующих станков, для бурения скважин в подземных условиях шахт и рудников 17
1.3 Выводы .36
2. Аналитические исследования по определению параметров бурового станка для бурения глубоких дегазационных и технических скважин ...38
2.1 Аналитические исследования характера изменений механических сопротивлений, перемещению бурового става по скважине в процессе бурения 38
2.1.1 Мощность, затрачиваемая на разрушение горного массива 40
2.1.2 Скорость вращения бурового става 44
2.1.3 Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения при вращении бурового става в скважине в процессе бурения...45
2.1.4 Влияние крепости буримой породы горного массива на скорость бурения 60
2.2 Определение силовых и кинематических параметров станка 64
2.3 Выводы .66
3. Обоснование и разработка конструкции станка для бурения глубоких скважин 67
3.1 Конструктивные особенности бурового станка 67
3.2 Кинематическая схема и работа станка 70
3.3 Гидросистема бурового станка 73
3.4 Выводы 78
4. Стендовые и промышленные испытания станка СБР 400 79
4.1 Исследования процессов бурения скважин станка СБР 400
на натурном стенде .79
4.2 Промышленные испытания бурового станка в условиях шахт «Романовская» и «Заречная» 84
4.2.1 Горно-геологические условия залегания угольного пласта 84
4.3 Исследование процессов направленного бурения глубоких скважин в подземных условиях угольных шахт .97
4.4 Выводы 102
Заключение 103
Список литературы
- Анализ конструкций существующих станков, для бурения скважин в подземных условиях шахт и рудников
- Мощность, затрачиваемая на разрушение горного массива
- Кинематическая схема и работа станка
- Промышленные испытания бурового станка в условиях шахт «Романовская» и «Заречная»
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие угольной промышленности в России и за
рубежом в последней четверти 20-го века, совершенствование технологии и тех
ники для подземной добычи угля в соответствии с требованиями мирового рынка
обусловили появление высокопроизводительных забоев с нагрузкой
5-20 тыс.т./сутки.
Применение современных отечественных и зарубежных высокопроизводительных комплексов для разработки угольных пластов в значительной степени предопределило повышение скорости подвигания забоев и горных выработок, что зачастую заставляет перешагнуть границы зоны газовых барьеров, определнных газокинетическими характеристиками пластов. Это провоцирует внезапные выбросы угля и газа и приводит к авариям с человеческими жертвами. Для эффективной работы комплексно-механизированных забоев необходимо обеспечить снижение концентрации метана в подземной атмосфере, что обеспечивается методами предварительной дегазации и интенсивным проветриванием как горных выработок, так и выработанного пространства.
Наиболее результативный способ предварительной дегазации – это обури-вание очистного блока сеткой подземных дегазационных скважин из оконтури-вающих выработок. В связи с высокой газонасыщенностью угольных пластов объм бурения этих скважин на угольных шахтах России и стран СНГ исчисляется тысячами километров. В угольной отрасли России широко применяется буровая техника отечественного и зарубежного производства. В процессе е эксплуатации производственниками вскрыты недостатки: недостаточная мощность, малая степень автоматизации операций в процессе бурения и невозможность бурения в крепких породах. Кроме того, одной из причин отсутствия буровых станков, способных бурить глубокие скважины, является недостаточная степень изученности вопросов, связанных с механическими сопротивлениями перемещению бурового става по скважине, возникающими в процессе бурения. Таким образом, при создании нового бурового станка возникает необходимость учета этих сопротивлений, что обеспечит проходку более глубоких скважин с повышенными скоростями бурения. Поэтому работа, направленная на исследование процессов взаимодействия бурового става с породами горного массива является актуальной.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме «Разработка технологии эффективного освоения угольных месторождений роботизированным комплексом с управляемым выпуском подкровельной толщи» (Соглашение № 14.604.21.0173 от 26.09.2017 г.).
Цель работы состоит в обосновании силовых и кинематических параметров бурового станка, обеспечивающего проходку дегазационных и технических скважин с высокими скоростями бурения, как по углю, так и по породе.
Объект исследования: буровой станок СБР – 400, буровой став диаметром 42 и 50 мм.
Предмет исследования: механические сопротивления перемещению и вращению в скважине бурового става.
Идея работы заключается в обосновании силовых параметров нового бурового станка с учетом механических сопротивлений перемещению и вращению в скважине бурового става.
Задачи исследований:
-
Выполнить анализ технологий бурения дегазационных скважин и конструктивных особенностей существующих буровых станков и обобщить практический опыт по их конструированию и применению на горных предприятиях.
-
Определить причину возникновения и изменения величины сил сопротивления перемещению бурового става по скважине в зависимости от ее глубины.
3. Определить соотношение силовых и конструктивных параметров ново
го бурового станка с учетом увеличивающихся сил сопротивления перемеще
нию бурового става в скважине по мере роста глубины скважины.
4. Провести экспериментальные исследования с целью оценки снижения
затрат мощности бурового станка при рациональном соотношении диаметров
скважины и штанг бурового става.
Методы исследований:
– анализ и обобщение практического опыта применения технологий проходки скважин и средств их реализации;
– аналитические исследования процесса проходки скважины для определения сопротивлений перемещению бурового става в скважине;
– стендовые и шахтные эксперименты.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Буровой став в процессе бурения приобретает форму винтовой спирали переменного шага, уменьшающегося по направлению от забоя к устью скважины, при этом длина каждой полуволны спирали определяется осевым усилием подачи става, необходимым для образования этой полуволны.
-
Сопротивление перемещению бурового става определяется суммой сил трения о стенки скважины полуволн бурового става, образующихся под воздействием крутящего момента и осевого усилия, при этом затраты мощности на его преодоление составляют до 90 % от общей мощности, затрачиваемой на бурение.
3. Снижение сопротивления перемещению бурового става достигается
путем уменьшения числа полуволн става за счет соблюдения рационального
соотношения диаметра скважины к диаметру штанги Д/D = 1,12 – 1,65 при бу
рении по углю и Д/D = 1,12 – 1,45 при бурении по породе.
Достоверность научных результатов обеспечивается достаточным объ-мом аналитических и экспериментальных исследований на натурном стенде и
в условиях угольных шахт, а также сходимостью теоретических, экспериментальных и практических данных.
Научная новизна:
1. Установлено, что буровой став в процессе бурения приобретает форму
винтовой спирали, каждая полуволна которой создает дополнительное
сопротивление его перемещению, в связи с этим длина каждой последующей
полуволны по мере удаления от забоя уменьшается;
2. Установлено, что геометрические параметры, осевое усилие и
вращающий момент определяются сопротивлением вращению и осевому
перемещению бурового става в скважине, которое возникает из-за его трения о
стенки скважины, при этом на разрушение породы расходуется не более 10 %
мощности привода бурового станка;
3. Определено рациональное соотношение диаметра буровой штанги к
диаметру скважины, при котором затраты мощности на преодоление сопротив
лений вращению и перемещению бурового става не превышают 90 % от общей
мощности, затрачиваемой на бурение.
Личный вклад автора состоит в обобщении опыта работы по проходке дегазационных скважин в подземных условиях угольных шахт, в проведении аналитических и экспериментальных исследований по определению сопротивлений буровому ставу в процессе бурения, в разработке параметров бурового станка, в обоснование программы и методики шахтных испытаний, в организации и проведении испытаний бурового станка СБР-400 на натурном стенде и в подземных условиях угольных шахт.
Практическая ценность работы состоит в обосновании принципиальной схемы и разработке конструкции высокопроизводительного бурового станка нового поколения, предназначенного для бурения дегазационных и технических скважин (патенты РФ на полезную модель №88058 и №103837), в разработке рекомендаций по целесообразным режимам бурения глубоких скважин по углю и породам различной крепости, ТЗ – технических условий, РУ – руководства по эксплуатации и проектной документации на станки.
Реализация работы в промышленности. По результатам научных исследований обоснованы параметры бурового станка, на основании которых выполнена техническая документация и изготовлен станок СБР - 400. В настоящее время станки СБР - 400 работают на шахтах «Романовская» ООО «Кокс», а также «Юбилейная», шахтах «Березовская», шахтах «Тихова», «Октябрьская» и «Заречная» ООО «Георесурс».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на конференциях: «Фундаментальные проблемы формирования техногенной среды» (Новосибирск, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Наукомкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов». (Новокузнецк, 2011 г.); ежегодных научных симпозиумах «Неделях горняка» (Москва, 2009-2012 гг.); Международной конференции «Динамика и прочность горных машин» (Кемерово, 2012 г.), а также на научных семинарах в
ИГД СОРАН и технических советах угольных шахт и компаний. В 2009 г. на XVI международной выставке «Уголь России и Майнинг» станок СБР - 400 получил золотую медаль как лучший экспонат выставки.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 11 печатных работах, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получены 2 патента РФ на полезную модель.
Объм и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы. Общий объм работы составляет 114 страниц, в том числе 53 рисунка и 14 таблиц. Список литературы содержит 99 источников.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю чл.- корр. РАН В. И. Клишину и сотрудникам ИГД СО РАН к.т.н. Д.И. Кокоулину и Б. Кубанычбеку за помощь, научные консультации и ценные замечания при выполнении работы и обсуждении результатов исследований.
Анализ конструкций существующих станков, для бурения скважин в подземных условиях шахт и рудников
Управление станком осуществляется от пульта управления, установленного на станке. При этом может производиться регулировка скорости подачи бурового инструмента на забой от 0 до 1,5 м/мин и скорости вращения штанги от 0 до 370 мин-1. В случае бурения скважин в условиях внезапных выбросов газа управление станком производится дистанционно. Для этого пульт управления устанавливается на крышке маслостации, расположенной в 15 – 20 м от работающего станка.
В период с 2001 по 2008 годы на опытном заводе Сибгормаш было изготовлено более 70 станков СБУ-200М, которые до настоящего времени эксплуатируются на шахтах Кузбасса.
Станки СБУ-200М благодаря своей безлафетной компоновки и возможности работать без потерь времени на совершение холостого хода при перехвате штанг в процессе бурения, выгодно отличается от аналогов своими малыми габаритами и более высокой производительностью. Однако, в связи с тем, что в последнее время в угольных шахтах значительно повысились нагрузки на очистные забои (24-32) вследствие применения высокопроизводительных отечественных комплексов оборудования и за счет увеличения длины лав, возникла необходимость в создании более производительных буровых станков с повышенной глубиной бурения и, следовательно, с повышенными энергетическими характеристиками. Кроме этого дегазационные скважины необходимо бурить не только по отрабатываемому пласту, но и в меж-дупластье, где по ходу бурения могут встречаться породы различной крепости. Это также требует применения буровых станков с гораздо большим уси-34 лием подачи бурового става на забой и большим крутящим моментом на буровом инструменте, чем это имеется в известных станках.
Проведя анализ конструкций существующих станков, предназначенных для бурения скважин в подземных условиях шахт и рудников можно сделать следующие выводы.
К основным недостаткам длинно-ходовых лафетных буровых станков следует отнести их большие габаритные размеры, обусловленные необходимостью наращивания штанг впереди вращателя бурового става, что затрудняет их использование в стесненных условиях подземных выработок угольных шахт и рудников.
Общим недостатком коротко-ходовых лафетных станов является: во-первых, довольно большие габаритные размеры (в связи с наличием рамы лафета), что ограничивает их применение в стесненных условиях угольных шахт и рудников и во-вторых, наличие в их кинематике холостого хода для перехвата бурового става зажимными патронами при подаче его на забой, что снижает их производительность.
Общим недостатком существующих безлафетных станков второго типа является присутствие в их кинематике холостого хода при перехвате штанги во время подачи бурового става, что снижает их производительность в процессе бурения скважин.
Общим недостатком существующих безлафетных станков, относящихся к первому типу является слабые энергетические характеристики, что говорит о низкой производительности станков.
В настоящий период времени длина современной лавы составляет 250 м и более, несоответствие реальной и подлинной глубины бурения заставляет шахтеров обуривать лаву с двух сторон.
Таким образом, возникла необходимость в создании нового бурового станка, которые могли бы отвечать требованиям сегодняшнего дня. А именно: - станки должны быть малых габаритных размеров, что позволит их ис пользование в стесненных условиях горных выработок угольных шахт; - силовые параметры станков должны обеспечивать бурение скважин глубиной до 400 м, при этом скорость бурения должна составлять 1,5 м/мин по углю и 0,8-0,3 м/мин по породе крепостью 8 – 16 единиц соответственно по шкале проф. М. М. Протодьяконова; - вращатели станков должны иметь широкий диапазон изменения вели чины момента и скорости вращения бурового става.
Этим требованиям наиболее полно могут удовлетворять станки, относящиеся к группе безлафетных, с автоматическим перехватом штанг без холостого хода в процессе бурения, снабженными многоскоростными вращателями бурового става и имеющими возможность крепления в выработке с помощью гидравлических стоек.
Современное состояние изученности технологий и средств проведения дегазационных и технических скважин показало, что дальнейшее совершенствование буровой техники направлено на поиск станков, конструктивное исполнение которых обеспечивает высокопроизводительное бурение скважин глубиной более 300 м. как по углю, так и по породе крепостью до 8ед.
В настоящее время накоплен обширный материал как в области создания конструкций буровых станков, так и в области научных исследований влияния режимов бурения, крепости обуриваемой горной среды и т.д. на эффективность бурения скважин в каждом конкретном случае.
Наиболее существенный вклад в проведение исследований процессов бурения и в создании буровой техники внесли: Алимов О.Д., Горбунов О.А., Горбунов В.Ф., Сафохин М.С., Катанов Б.А., Царицын В.В., Остроушко И А., Александров М.М., Медведев И. Ф. и др. исследователи. Среди проблем, связанных с исследованием процесса бурения глубоких скважин важное место занимает проблема определения соответствия силовых параметров бурового станка того или иного типа глубине пробуриваемой скважины и крепости обуриваемой среды.
На основе проведнного анализа применяемых на угольных шахтах технологий бурения дегазационных и технических скважин, а так же средств для реализации этих работ выявлено:
1. Основной проблемой при бурении глубоких скважин в подземных условиях угольных шахт является проблема определения характера механических сопротивлений, препятствующих процессу бурения и перемещению бурового става по скважине.
2. Значительный процент обрывов штанг буровых ставов в процессе бурения тех или иных скважин является следствием недостаточной изученности вопроса по характеру изменения напряжений в штангах бурового става в зависимости от режимов бурения и глубины скважины.
3. Опыт эксплуатации буровых станков различного типа на угольных шахтах России показал, что для эффективного бурения глубоких дегазационных и технических скважин необходим буровой станок, обладающий достаточной энерговооруженностью, малыми габаритами и высокой степенью автоматизации процессами бурения.
Мощность, затрачиваемая на разрушение горного массива
Кинематическая схема станка представлена на рисунке 3.2. Станок включает вращатель 1, выполненный в идее двухскоростного редуктора с муфтой 2 переключения и направляющими скалками 3, на которых установлены зажимные гидропатроны 4 и 5, присоединнные к вращателю 1 при по-мощипарных двухштоковых гидродомкратов 6 и 7 подачи,установленный в гидромагистраль. Рабочие полости гидродомкратов 6 и 7 соединены с пультом 12 управления. Вращение буровой штанге 14 передатся через зажимные гидропатроны 4 и 5, поочередно зажимающие е, и через шлицевый вал 15 вращателя 1, по направляющим скалкам 3 которого перемещаются зажимные гидропатроны 4 и 5.
Управление подачей бурового става производится с пульта 12 управления. Наличие двух зажимных гидропатронов 4 и 5 дат возможность производить автоматический перехват буровой штанги 14 на ходу без остановки вращения и получать непрерывную е подачу. Продольное перемещение зажимных гидропатронов 4 и 5 вместе с буровой штангой 14 осуществляется путм подачи рабочей жидкости от пульта12 управления к гидродомкратам 6 и 7.
Например, для подачи левого (по чертежу) зажимного патрона 4 рабочая жидкость податся в левые полости гидродомкрата 6. При этом поршни со штоками гидродомкрата 6 перемещаются слева направо (по чертежу), вытесняя рабочую жидкость из его правых полостей через систему трубопроводов и блок 8 подпитки в правые полости гидродомкрата 7, перемещая его поршни со штоками справа налево. При этом в блоке 8 кран 11 открыт, а краны 9 и 10 закрыты. Поскольку правые и левые полости гидродомкратов 6 и 7 равны по объму, а их штоки присоединены к зажимным гидропатронам 4 и 5, то и величина перемещения поршней со штоками, а следовательно, зажимных гидропатронов 4 и 5 одинакова. Это обеспечивает синхронность перемещения зажимных гидропатронов 4 и 5, при котором один из зажимных гидропатронов 4 и 5 совершает рабочее движение, перемещая вращающуюся штангу 14, а другой из зажимных гидропатронов 4 и 5 совершает холостой ход, проскальзывая по штанге14. По окончании хода гидродомкрата 6 поток рабочей жидкости податся в правые полости правого (по чертежу) гидродомкрата 7, и далее последовательность операций повторяется. Синхронность работы гидродомкратов 6 и 7 обеспечивается определнным объмом рабочей жидкости, заключенной в объединнных трубопроводами и блоком 8 подпитки их полостях. Наличие управляемого гидрозамка 13, установленного в гидромагистрали, которой соединены рабочие полости гидродомкратов 6 и 7 с пультом 12 управления, предотвращает изменение этого объма. В случае рассогласования ходов гидродомкратов 6 и 7, например, вследствие непредвиденной утечки жидкости, е потерянный объм может быть восстановлен при помощи блока 8 подпитки и кранов 9, 10, и 11.
При бурении глубоких скважин, когда сопротивление вращению штанги 14 от е трения о стенки скважины достигает больших значений, включением муфты 2 переключения скорость вращения штанги 14уменьшается и тем самым увеличивается е крутящий момент, обеспечивая возможность бурения в этих условиях.
Перехват штанг патронами станка при бурении и при извлечении става из скважины происходит автоматически.
Система автоматизации обеспечивает последовательность срабатывания зажимных патронов и домкратов подачи. Отставание срабатывания разжимающегося патрона относительно зажимающегося достигается с помощи регулируемых золотников. Длительность запаздывания должна быть необходимой для обеспечения перехвата буровой штанги без проскальзывания при бурении вверх или вниз.
Домкраты подачи срабатывают с запаздыванием относительно разжимающегося патрона, что достигается с помощью регулируемого напорного золотника. Длительность запаздывания срабатывания домкратов подачи должна быть минимально необходимой для обеспечения перехвата буровой штанги без задиров зажимными кулачками. (3,4)
Кинематическая схема и работа станка
Характеристика породного прослойка. Породный прослоек в угольном пласте представлен песчаником с коэффициентом крепости /=3-6 его прочность на сжатие асж=45 МПа, абразивность AQ=25 мг (среднеабразивный). Прослоек разделяет угольный пласт на две неравные части (рисунок 4.8). Мощность прослойка по длине столба нестабильна и колеблется от 0 до 500 мм.
В процессе испытаний бурились вентиляционные скважины с конвейерного штрека на вентиляционный для последующей проходки по восстанию монтажной камеры нарезаемой лавы №1. Глубина скважин 90 м. Отрабатывались различные режимы бурения по углю и породе, а также варианты методов обеспечения направленного бурения в условиях пласта «Абрамов-ский». За период испытаний пробурено 11 скважин диаметром 46, 63, 76 и 93 мм общей длиной 1100 м. Во время бурения проводились замеры по определению скорости бурения, усилия подачи бурового става на забой, величины вращающего момента буровой штанги в зависимости от скорости бурения, крепости буримой породы, диаметра и глубины скважины и диаметра штанг бурового става. Результаты замеров при бурении скважин глубиной до 90 м, 76 и 93 буровым ставом, составленным из штанг диаметром 42 мм, приведены в таблице 4.3.
Диаметр скважин, , мм Усилие подачи по углю Ру, кН для скважины длиной, м Усилие подачи по породе Pп, кН для скважины длиной, м Момент вращения по углю Му,Нм для скважины длиной, м Момент вращения по породе Мп, Нм для скважины длиной, м Скорость бурения по углюу,м/мин Скорость бурения по породе п, м/мин Сопоставив данные замеров, произведенных в ходе эксплуатации бурового станка СБР 400 с результатами аналитических исследований, проведенных в разделе 2 (рисунки 2.7 – 2.14) можно сделать вывод об их высокой степени сходимости.
Это говорит о правильном подходе к решению задачи по определению механических сопротивлений, препятствующих перемещению бурового става по скважине, что позволило разработать параметры нового бурового станка, способного бурить глубокие дегазационные и технические скважины как по углю, так и по породе.
Прмышленные испытания были продолжены в условиях шахты «Заречная» ООО «Георесурс». В период с февраля по октябрь 2011 г. тремя станками СБР-400 пробурено 40 км дегазационных и технических скважин, как по углю, так и по породе крепостью до f = 8 ед. по шкале М.М. Протодья-конова. Поскольку бурение скважин диаметром 93 мм производилось по породе, возникла необходимость использования в качестве бурового инструмента шарошечного долота, что привело к увеличению усилия прижатия бурового инструмнта к забою скважины до 15 кН, необходимого для объемного разрушения горного массива. Это в значительной мере увеличило сжимающие буровой став нагрузки, что отразилось на прочности буровых штаг.
Опыт эксплуатации буровых станков ООО «Георесурс» на шахто участке «Октябрьский» показал, что за период с февраля 2011 года по октябрь 2011 года при бурении дегазационных скважин шарошками 93 мм по углю и породам произошло 15 порывов бурового става. При этом в скважинах осталось 174 штанги (Акты ОАО «Шахта Заречная»). Каждый порыв бурового става считается аварией, которые приводят, в лучшем случае, непредусмотренным потерям времени на извлечения штанг, в худшем - к потерям штанг и недобуренных скважин. Таким образом, возникла необходимость в проведении исследования изменений прочности бурового става в зависимости от режимов бурения, глубин скважины и геометрических параметров штанг, из которых образуется буровой став [89].
Исследования напряжений, возникающих в теле штанги в процессе бурения сводятся к решению задачи по определению прочности штанги в е опасных сечениях под воздействием сил сопротивления перемещению штанги в скважине во время работы для каждого конкретного случая [90].
Используя результаты исследований характера механических сопротивления, возникающих при бурении глубоких скважин (раздел 2.1) был определены изменения напряжений, возникающих в буровом ставе в зависимости от режимов бурения и параметров бурового става и скважины.
На шахтах «Октябрьская» и «Заречная» бурились скважины 93мм шарошечными долотами, а буровой став был составлен из штанг 50мм. Поскольку в качестве режущего органа применялись шарошечные долота, то осевое усилие, необходимое для объмного разрушения угля или мягких пород крепостью f=1.5-2 должно быть не менее P=18 кH [80,86]. Подставляя значения усилия подачи и параметров бурового става, применяемых при бурении скважин диаметром 93 мм в выражение (7) и произведя соответствующие вычисления, получим зависимости P=f(L) и M=f(L), соответствующие конкретным условиям, в которых использовалось буровое оборудование (рисунок 4.9).
Из графика (рисунок 4.9) видно, что использование в качестве забурника шарошечного долота значительно увеличило нагрузку, как на буровой станок, так и на буровой став, в результате чего, при усилии подачи 50 кН глубина бурения составила всего 130 м. Рисунок 4.9 – Графики зависимостей M=f (L) (а) и P=f(L) (б) при бурении скважин 93 по углю и породе буровым ставом с наружным диаметром штанги 50 мм
Поскольку станками бурили скважины 200 м, то был сделан вывод, что это достигалось за счт несоблюдения рекомендуемых режимов бурения, например путм увеличения скорости вращения штанги, а это приводило к быстрому износу шарошечного долота и, как следствие, дальнейшему увеличению усилия подачи бурового става на забой.
Таким образом, при бурении скважин диаметром 93 мм шарошечными долотами в таком режиме буровой став уже на глубине 130 м находился под максимально возможной нагрузкой. При этом, поскольку буровой став в процессе бурения приобретает вид вращающейся в скважине спирали, то он нагружен сжимающими, изгибающими и скручивающими усилиями. Следовательно, суммарные напряжения , возникающие в буровом ставе необходимо определять по формуле [91]:
Промышленные испытания бурового станка в условиях шахт «Романовская» и «Заречная»
В промышленной практике при бурении глубоких скважин довольно часто встречаются случаи их отклонения от заданного направления. Это приводит к увеличению объмов бурения, нарушению технологии дегазации угольных пластов и к ошибкам при прохождении технических скважин. В последнем случае возникает необходимость пробуривания скважины заново.
Основными источниками, вызывающими искривление скважин в процессе бурения, принято считать неоднородность свойств горной среды, перекос бурового снаряда в связи с неустойчивостью бурового става и наличие большого зазора между буровым снарядом и стенкой скважины [98].
В первом случае, при пересечении скважиной под острым углом контактов между слоями горной среды с различной тврдостью возникает неравномерное сопротивление породы разрушению на забое, что приводит к отклонению бурового снаряда от оси скважины (рисунок 4.15).
При переходе из мягких пород в тврдые, как показано на рисунке 4.15а, более интенсивно разбуривается часть забоя, представленного мягкими породами, что приводит к изменению положения плоскости разрушения породы, перекосу бурового снаряда под действием опрокидывающего момента М, отклонению оси скважины в сторону, противоположную падению плоскостей контактов слоев пород, с увеличением зенитного угла.
При переходе скважины из слоя тврдых пород в мягкие наблюдается обратная картина-отклонение бурового снаряда в сторону мягких пород (по падению слоев), но с меньшей интенсивностью, так как неравномерное разрушение забоя усиливается только к концу пересечения контакта, а часть забоя, приходящаяся на тврдые породы, может быть отделена от массива в результате скалывания (рисунок 4.15б). 1 –мягкие породы; 2 – твердые породы; 3 - скалывающаяся часть забоя
Наконец, при определнных углах встречи оси бурового снаряда с плоскостью контакта слоев мягких и тврдых пород скважина может пойти вдоль контакта. Критические значения угла встречи зависят от разницы в тврдости пород, коэффициента трения породы разрушающего инструмента о породу и его конструкции (рисунок 4.15 в). В ряде случаев такое «скольжение» скважин вдоль плоскости контакта возникает при углах встречи менее 10-15о.
На практике направленное бурение глубоких скважин достигается пу-тм применения ударно-вращательного способа или вращательного способа бурения, но с использованием в качестве бурового инструмента шарошечного долота. Оба способа дают положительный результат, так как процесс бурения в этих случаях происходит с минимальным опрокидывающим моментом М и его влияние на отклонение оси скважины от заданного направления незначительно.
Кроме того, одним из перспективных способов борьбы с искривлением скважины является способ с применением в буровых ставах передовых штанг с большими моментами сопротивления, устанавливаемых сразу после бурового инструмента (долота или забурника) [78]. При этом диаметр передовой штанги должен быть максимально приближнным к диаметру скважины, но обеспечивающим минимально возможный зазор для пропуска штыба, образованного в процессе бурения. Длина передовой штанги должна быть возможно большей длины и е величина уточняется опытным путем. На ряду с этим, с целью уменьшения возможности изгиба бурового става под воздействием осевых нагрузок применять опорные фонари, устанавливаемые в буровом ставе с шагом, определяемым усилием подачи става на забой, зависящим от крепости горного массива.
В ходе испытаний станка СБР 400 на шахте «Романовская» отрабатывались различные варианты методов обеспечения направленного бурения в условиях пласта «Абрамовский». Его вогнутая форма залегания (рисунок 4.16) усложняла направленное бурение. Это связано с тем, что забурники става в процессе бурения по углю в заданном маркшейдерами направлении в определнный момент касались вогнутой плоскости кровли крепостью, значительно большей крепости угля. Это приводило к изменению направления бурения скважин и, как следствие, буровой став проходил мимо вентиляционного штрека.
После экспериментов по изменению режимов бурения и изменения углов направления скважин принят вариант с использованием в качестве бурового инструмента бурового долота II76Т-ЦВ, установленного на направляющей штанге длиной 1,2 м и диаметром 60 мм, закрепленной на конце бурового става. Скорость вращения бурового става увеличена до 400 мин-1, а вели чина подачи става уменьшена до 0,4 м/мин. В результате принятых мер удалось обеспечить перемещение бурового става в нужном направлении и сбить скважиной конвейерный и вентиляционный штрек пласта. В целом прове-днные испытания в шахте показали высокую эффективность и работоспособность станка СБР 400 и позволили рекомендовать его для применения в угольных шахтах опасных по газу и угольной пыли [76].