CC BY
185
© А.Н. Потебенко, Е.В. Болкисева, А.С. Реготунов, 2010
УДК 622.233.05
А.Н. Потебенко, Е.В. Болкисева, А.С. Реготунов
АНАЛИЗ ИСПЫТАНИЙ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА НА ШАХТЕ СЕВЕРО-ПЕСЧАНСКАЯ БОГОСЛОВСКОГО РУДОУПРАВЛЕНИЯ
Приведены результаты сравнительных испытаний бурового инструмента различных изготовителей в однотипных условиях.
Ключевые слова: буровой инструмент, износостойкость, буровые работы.
Неделя горняка
Для выбора рациональных типоразмеров, оценки эффективности, планирования, определения поставщика необходима информация о показателях эксплуатации бурового инструмента.
Такая информация может быть получена в результате:
1. Анализа геологических особенностей массива горных пород; объемов бурения; основных показателей работы бурового инструмента конкретных типоразмеров; причин выхода инструмента из строя; стоимостных параметров бурения.
2. Проведения сравнительных
опытно-промышленных испытаний бурового инструмента различных изготовителей в однотипных условиях с целью определения: износостойкости, причин выхода из строя, разброса показателей, стабильности качества изготовления, производительности,
стоимости бурения 1 м.
На ш. С-Песчанская Богословского РУ испытания и буровые работы проводятся на участке рудного тела, залегающего на мраморизованных известняках и перекрываемого пироксен-гранатовыми скарнами. Характеристика пород и руд этого участка приведена в табл. 1. Данные табл. 1 показывают,
что руды и породы, в которых осуществляются буровые работы, имеют ква-зиоднородные физическо-механические параметры. Это позволяет с достаточной для практических целей использовать один критерий - название руд и пород.
Трещиноватость руд и пород - выше средней.
Объемы буровых работ за последние 2 года представлены в табл. 2.
Бурение взрывных скважин производится станками НКР-100М с использованием пневмоударников (П-110 Кыш-тымского завода и П-110С Серовского механического завода) и буровых коронок 0 110 мм. При разворонке выпускных отверстий используются коронки типа БКР-65-32 0 65 мм.
На проходческих работах применяются самоходные (УБШ-221П) и переносные (УПБ-3) бурильные установки. В нарезных выработках используют перфораторы типов ПП-63В, ПП-54В с пневмоподдержкой и телескопные перфораторы ПТ-48. В обоих случаях используются коронки 0 40-42 мм.
В целом по шахте оценочный годовой объем бурения находится в пределах 300 тыс.м; расход буровых коронок 0 110 мм - 1500-2300 шт.; 0 65 мм -200-300 шт.; 0 42 мм - 5000-8000 шт.
Породы и руды / ї> кг/м3 Ф> град 0Сж, МПа бр, МПа Те, МПа Тт, МПа Ксо V, пуаз КХр
Пироксен-гранатовые скарны 7-12 3,0 50 55 7 11 7 0,3-0,4 3,0 8
Мраморизованный известняк 8-10 2,7 42 48-76 15 15 11 0,4 2,7 10
Магнетиты 9-12 3,8-4,2 53 85 14 18 14 0,4 3,8 8
Порфириты и их туфы 8-11 3,0-3,2 50 60-70 10 11 9 0,3-0,4 2,7 10
где f - коэффициент крепости по шкале Протодьяконова; у - плотность, кг/м3; ф - угол внутреннего трения пород, град; асж - предел прочности пород на сжатие, МПа; ар - предел прочности пород на растяжение, МПа; тс - предел прочности пород на сдвиг, МПа; тт - предел текучести, МПа; Ксо - коэффициент структурного ослабления; V - вязкость; Кхр - коэффициент хрупкости.
Годовые затраты на приобретение коронок в среднем находятся на уровне: 0 110 мм - 2,5-3,0 млн.руб.; 0 65 мм ~ 200 тыс.руб.; 0 42 мм - 3-3,5 млн.руб. Относительные затраты на приобретение коронок в себестоимости очистных и проходческих работ составляют около 20%.
Производители буровых коронок и штанг осуществляют испытания своего инструмента в небольших партиях или в единичных образцах, не используют математические методы планирования экспериментов, что не всегда обеспечивает
достоверность результатов. Поэтому объективность технических экс-
плуатационных показателей инструмента должна подтверждаться большими объемами буровых работ. Например, при объеме бурения в 2006 г. порядка 150000 м пневмоударники типа П-110С показали устойчивую износостойкость 1200 м, в сравнении с 830-837 м у П-110 (рис. 1). В этом случае нет оснований сомневаться в техническом преимуществе П-110С перед П-110. Расширение объема применения П-110С обеспечивает снижение себестоимости бурения 1 м скважин на 810%. Дальнейшее повышение стойкости погружных пневмоударников П-110С возможно за счет точности изготовления и качества термообработки ствола и ударника, а также заменой байонетного соединения буровой коронки на шлицевое.
Таблица 2
№ п/п Показатели Ед. изм. 2005 г. 2007 г. (11 месяцев)
1 Товарная руда тыс.т 1366,7 1300
2 Г орная масса тыс.т 2316,1 2470
3 Г орно-проходческие работы тыс.м 1100 1200
4 Г орно-нарезные работы тыс.м 6976 7500
5 Эксплуатационное бурение (очистные работы) тыс.м 198,54 200
Разворонка тыс.м 38 39
Крепление ж/б штангами тыс.м 36 49
Промышленные испытания буровых коронок диаметром 110 мм выполне-ны в объеме буровых работ более 138000 м, т.е. более 40% годовых объемов бурения на ш. С-Песчанская.
Сложность бурения взрывных скважин на очистной выемке обусловлена перемежающимися трещиноватыми литологическими разностями с изменением крепости пород от f = 8 до f = 12 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В этих условиях использова-ние лезвийных буровых коронок недостаточно эффективно из-за невы-сокой стойкости и заклинивания бу-рового инструмента. Действительно, испытания буровых коронок лезвий-ного типа производства Кыштымского машзавода с пневмоударниками П-110 показали их более низкую (на 30-40%) стойкость по сравнению с коронками штыревого типа.
Анализ износостойкости буровых коронок, используемых на очистных
Рис. 1. Износостойкость пневмоударников
работах (рис. 2), показывает:
1. Минимальную стойкость имеют коронки Кыш-тымского машиностроительного завода (в среднем 65 м) в сравнении с коронками Серовского механического завода (150-155 м) и ЗАО «Сталь-трест» (215220 м). Коронки производства Белгорода и Уралбур-маша не могут серьезно конкурировать с коронками Серовского мехзавода и ЗАО «Сталь-трест».
2. Основные причины выхода из строя коронок КНШ-110:
- износ, скол и выпадение твердого сплава;
- износ хвостовиков и корпуса коронок по диаметру (образование конусности), износ или смятие шлицевого соединения коронок в месте крепления в погружном пневмоударнике. Эти причины характерны для бурового инструмента всех поставщиков и отличаются лишь временем их проявления в процессе бурения. Они обусловлены качеством самого твердого сплава, и качеством его закрепления в теле коронок, а также конструкцией крепления коронки в пневмоударнике.
На шахте в течение года получено повышение износостойкости коронок типа КНШ-110 с 83,5 до 150 м (35-40%). Экономический эффект реально составил 247 тыс. руб. (с учетом удорожания погружных пневмоударников).
Но с учетом увеличения цены бурового инструмента (в среднем на 35%), стоимость бурения 1 м скважин 0 110 мм уменьшилась лишь на 15%. По затратам на инструмент она практически не изменялась и составляет 12-13 руб/м в зависимости от качества коронок.
Однако резервы улучшения показателей бурения на очистных работах имеются. Основные из них:
а) применение буровых коронок с пулеобразным вооружением в породах средней крепости;
б) организация заточки бурового инструмента;
в) повышение давления сжатого воздуха в пневмомагистрали.
Эти мероприятия позволяют на 2530% снизить затраты на бурение 1 м скважины.
Рис. 2. Стойкость буровых коронок 0 110 мм разных поставщиков
Анализ стойкости и причин выхода из строя буровых штанг на станках НКР-100М показывает, что штанги производства Се-ровского механического завода имеют стойкость в 22,5 раза выше штанг других изготовителей и расход - 1 комплект (25-30 штук) на станок в год (7000-8000 м).
Поставку коронок для перфораторного бурения в 2005 г. осуществляло ЗАО «Сталь-трест». Коронки других производителей использовались в незначительном объеме. Причем, до 40% объемов бурения выполнено коронками, прошедшими перезаточку.
Уровень износостойкости коронок различных производителей не имеет резких различий и колеблется в пределах 35-50 м на одну коронку. Можно прогнозировать, что при сохранении конструкционных материалов стойкость коронок уральских за-водов-изготови-телей в ближайшие годы будет около 60-70 м. Определяющим фактором стойкости коронок остается качество твердого сплава, выпускаемого КЗТС.
Основными причинами отказов коронок для бурения шпуров являются: скол и выпадение твердого сплава, а также излом или сильный износ конусного соединения («юбки» коронки).
Основными видами износа являются: износ твердосплавных штырей или пластин твердого сплава и образова-
ние обратного конуса по диаметру коронок.
При разворонке выпускных отверстий, бурении шпуров под штанговое крепление и на проходческих работах возможно использование и лезвийных, и штыревых коронок. Здесь наблюдается меньшая перемежаемость пород; отсутствие шпуров, пробуриваемых вниз; наибольший объем бурения по мраморизованным известнякам. Выполненные испытания показывают, что в этих условиях (известняки с /=7-9) и скорость бурения лезвийным инструментом (на 20-30%), и его износостойкость (на 15-20%) больше, чем при бурении штыревыми коронками. На проходческих работах можно достичь экономии затрат по инструменту в пределах 10% только за счет правильного выбора области эффективного использования того или иного типа коронок. Кроме того, заточка лезвийного бурового инструмента (учитывая ее простоту) может обеспечить повышение стойкости коронок от 15-20% до 40-45%. После первой заточки следует производить упрочнение рабочей поверхности коронки.
Перфораторные буровые штанги, используемые шахтой, изготавливает Серовский металлургический завод. Испытания штанг, поставляемых ЗАО «Сталь-трест», показали их несколько худшие результаты по сравнению со штангами Серовского завода. Сравнительных испытаний штанг, изготовляемых другими заводами, не проводилось.
Износостойкость перфораторных буровых штанг варьируется в широком диапазоне - от 300 до 600 м. Основными причинами износа являются: заклинивание штанги - 5%, поломка конуса - 35%, поломка хвостовика -40%, поломка в средней части штанги
- 20%. Последняя возникает в результате нарушения технологического режима бурения и в результате специфики изготовления, низкого качества термообработки и, следовательно, возникновения дополнительных напряжений в месте излома.
Общие показатели работы бурового инструмента, полученные на шахте С-Песчанская при эксплуатации и промышленных испытаниях, сведены в табл. 3. Эти данные, отражая фактическое состояние, могут использоваться для планирования потребности шахты в буровом инструменте, контроля над его расходом, нормирования расхода и выбора наиболее приемлемого поставщика, планирования и прогнозирования затрат на буровые работы.
В целом анализ практики использования бурового инструмента показывает:
1. Основное влияние на стоимостные параметры буровых работ имеют не физико-механические свойства горного массива, а качество поставляемого бурового инструмента и штанг, правильная их эксплуатация (своевременность заточки коронок, соблюдение рациональных параметров бурения), а также состояние и технический уровень буровой техники. В связи с этим существенную роль должны играть экономические рычаги одновременного стимулирования изготовителей и потребителей бурового инструмента.
2. Улучшение уровня эксплуатации бурового инструмента необходимо начинать с планирования горных работ. Для этого производят анализ горнотехнических условий в части установления объемов бурения.
338
Таблица 3
Результаты анализа показателей работы бурового инструмента в условиях шахты Северопесчанская Богословского РУ
№ ii.ii. 2004 г. 2007 г. (11 месяцев) Суммарные затраты на бурение 1 м, руб.
Кол- во шт. Стои- мость единицы, руб. Общая стои- мость, РУ6. Объем бурения, м Стоимость 1 м, руб/ износостойкость, м Кол- во, шт. Стоимость единицы, руб. Общая стоимость, ру6. Объем бурения, м Стоимость 1 м, руб/ износостойкость, м
1 Буровые коронки 0 110 мм КНШ-110 (Кыштым) КНШ-110С (Серов) КНШ-110 (Сталь-трест) Итого: 2112 235 25 2372 1194 170230 2477 1258 2521728 400041 61925 2983694 136686 55929 5925 198540 18,4/64,7 7,15/237,9 10,45/237 15,05/83,5 220 1010 180 1410 81017 204225 2900 1960 17823740 206267250 522000 2762910 11000 161133 42867 215000 16,2/50 12,8/159,5 12,2/238 12,9/152,6 12,9
2 Погружные пневмоударники П-110С (Серов) П-110 (Кыштым) П-130 Итого: 40 183 2 225 7531,97 7324,30 9200 7377,88 301276 1340347 18400 1660023 36127 161672 740 198540 8,4/903,2 8,3/883 24,9/370 8,36/882,4 183 40 223 9284,62 8203 9090 1699085 328120 2027206 179200 35800 215000 9,48/979 8,04/895 9,42/909,6 9,42
3 Буровые коронки 0 40 мм КтШ-40 Русметцентр Комек НПК Ст-трест УГМК-холдинг Итого Перезаточка 2387 2446 4833 603 5436 8791 134 134,62 119,4 73,84 319858 329280 649138 280000 280000 2,3/57,6 2,3/51,5 2,3/31,85 210 3147 3357 1107 4464 170,50 484,46 464,8 35805 1524596 1560400 12600 297400 310000 5,03/92,34 5,03/69 5,03
4 Буровые коронки БКР-6065 236 540 127440 37850 3,36/160,3 330 570 188100 39385 4,77/119,3 4,77
5 Буровые штанги НКР-100 0 69 мм (Серов) 1016 1274,47 1294862 198540 6,5/195,41 987 1606,70 1585813 215000 7,3/217,8 7,3
6 Буровые штанги перфораторные 1500 1100 1650000 280000 5,89/186 1438 1200 1725600 310000 5,56/215,5 5,56
Всего: 41,46 44,98
При бурении скважин 0 110 мм в породах средней крепости f = 8-10 целесообразно применение буровых коронок с удлиненным вооружением. Начиная с f = 10-13 эффективен и обычный штыревой инструмент. На проходческих работах для крепости f = 8-9 приобретаются коронки 0 4042 мм лезвийного типа, а для f = 10-12 и более - штыревого.
3. Практика шахты и опыт горнорудных предприятий показывает возможность выполнения от 3-х до 4-х
перезаточек отечественного инструмента и до 6-7 - импортного. Если обеспечить своевременную, не допускающую переизноса, съемку коронок, то срок их службы продлевается в 3-4 раза (150-200 м проходки).
4. Реализация комплекса мероприятий, который может быть разработан на основе анализа, обеспечивает снижение затрат на буровой инструмент на 30-35% с годовым экономическим эффектом до 1-1,5 млн. руб. ВГСга
|- Коротко об авторах
Потебенко А.Н. - ОАО «Богословское рудоуправление,
Болкисева Е.В.— Уральский государственный горный университет, [email protected] Реготунов А. С.- Институт горного дела УрО РАН, dire ct@i gd. uran. ru
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РЕШЕТНЯК Сергей Николаевич Обоснование и выбор структур системы управления электроприводом шахтной подъемной установки Q5.Q9.Q3 к.т.н.
ТАЙЗАР Линн Автоматизированный мониторинг технологического процесса шагающего экскаватора драглайна Q5.13.Q6 к.т.н.
СО ХТУН Мьят Тхан Исследование системы управления многодвигательным электроприводом поворота мощного экскаватора драглайна Q5.13.Q6 к.т.н.
