CC BY
54
Р 21
ІЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2 10СКВА.^МГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000я-одая
^ Л.Н. Федоров, 2000
УЛК 622.232:621.879.41
Л.Н. Фелоров
БУРОВОЙ СТАНОК НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ: КОНЦЕПЦИЯ
Существующий парк буровых станков горнодобывающей и строительной отраслей, насчитывающий порядка 1000 единиц, в настоящее время вырабатывает весь свой ресурс. Анализ состояния экономики и технического вооружения заводов-изготовителей
показывает, что в ближайшем будущем выпуск современных буровых станков ни количественно, ни качественно не обеспечит потребности горнодобывающей и строительной промышленности. Поэтому, чтобы восполнить парк буровых станков, мы будем вынуждены с каждым годом всё в нарастающем темпе импортировать дорогие зарубежные станки стоимостью от 1.0 до 2 млн. американских долларов. Такая тенденция к зависимости от импорта объясняется не только современным состоянием нашей экономики, но, вообще, и устареванием тех технических идей и решений, которые заложены в конструкции буровых станков. К примеру, увеличение диаметра скважины вызывает резкое увеличение веса станка. Это видно хотя бы из того факта, что станок 2СБШ-200-32 для бурения скважин диаметром 200 мм весит 55 т, а станок СБШ-320-36 для бурения скважин 320 мм весит 140 т. И в передовых зарубежных странах наблюдается в принципе такая же зависимость веса и габарита бурового станка от диаметра бурения, хотя в отличие от наших они изготавливаются на более высоком техническом уровне с применением даже процессорной техники. Поэтому считаем актуальным начать разработку экспериментального образца бурового станка нового поколения на новых научных идеях и технических решениях, уже апробиро-
ванных в производственных условиях как у нас так и за рубежом.
Современные исследователи научно-технического прогресса выделяют пять фаз развития техники: создание, освоение, распространение, стабильность или зрелость и старение. При этом на смену устаревшей технике приходит техника нового поколения с повышенными в 2-3 раза количественными показателями и на более высоком качественном уровне.
В свете вышесказанного шарошечные станки и шарошечные долота уже достигли своего технического совершенства и, как показывает практика, повышение производительности и другие преимущества автоматизации и компьютеризации современных буровых станков съедаются энергетическими и материальными затратами, связанными с увеличением их веса и габарита [1]. Всё это говорит о том, что шарошечные станки как вид техники, вступили в фазу старения. Таким образом, исходя из анализа хода развития научно-технического прогресса, можно сделать вывод, что современные шарошечные станки неминуемо должны уступить место буровым станкам нового поколения, которые обеспечивают увеличение производительности в 2-3 раза и способны бурить скважины диаметром 400500 мм без увеличения их габарита и веса при любых горно-технических условиях и быть более эргономичными и экологически чистыми. Причём это вопрос уже не завтрашнего, а сегодняшнего дня.
В этой связи, если рассмотреть буровой станок в философском аспекте через категории "СОДЕРЖАНИЕ" и "ФОРМА", то способ разрушения и способ очистки забоя скважины, как
основная функция бурового станка, будут "СОДЕРЖАНИЕ", а его конструкция, технический уровень -"ФОРМА". Современные станки реализуют преимущественно шарошечный способ бурения, при котором только 1020 % всей подводимой к забою энергии идёт на отделение породы, а вся остальная часть тратится на ее переиз-мельчение и на другие потери. При этом осевое усилие создаётся весом станка, что вызывает его увеличение несоразмерно увеличению диаметра скважины. Всё это делает проблематичным создание шарошечных станков для бурения скважин диаметром 400 мм и более.
В настоящее время мы наблюдаем острое противоречие между старым содержанием и новой формой, т.е. между шарошечным способом бурения и современными "наворотами" зарубежных буровых станков (автоматизация, программное управление, применение микропроцессорной техники и др.). По нашему мнению, разрешение этого противоречия лежит в отказе от шарошечного способа разрушения и в разработке новых станков, реализующих более перспективные способы разрушения. Технические средства для этих способов разрушения имеются - одни уже созданы, а другие проходят опытные испытания, результаты которых приводятся ниже.
В ИГД им. А.А. Скочинского прошёл испытания способ комбинированного СВЧ-механического бурения скважин, позволяющий повысить производительность бурения по крепким породам в 2-3 раза при уменьшении осевого усилия в 3-5 раза [2]. Шарошечные станки, оснащённые магнитострикционными вибраторами, разработанными под руководством к.т.н. В.О. Мальчёнка (МГП "Опытный з-д СКТБ ЭВТ, п. Столбовая, Чеховский р-н, Московская обл.) в условиях Оленегорского, Ковдорского, Железногорского, Печенганикель и др. комбинатов тоже показали повышение скорости бурения в 2-3 раза и возможность бурения скважин диаметром 490 мм станком СБШ-250 [3].
Применение пневмоударного комбинированного бурового снаряда, разработанного под руководством д.т.н. Р.И. Сухова (ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург) позволило увеличить механическую скорость бурения в 1,61,8 раза и снизить энергозатраты на
бурение в 1,8-2 раза в сравнении с шарошечным способом, а также обеспечить станком СБШ-250 бурение скважин диаметром 300-350 мм при снижении осевой нагрузки в 2 раза
[4].
Однако, эти средства были испытаны и планируют использовать как интенсификаторы шарошечного способа бурения. Альтернативой такому применению может стать их применение в стадийных способах разрушения [5], основанных на новых достижениях и результатах физики разрушения. Современные физические представления о разрушении, развиваемые во ФТИ им. А. Ф. Иоффе, раскрывают наиболее общий, фундаментальный механизм разрушения всех твёрдых тел, в т. ч. и горных пород. Наиболее доступно и понятно раскрыт этот механизм в двухстадийной модели разрушения горных пород [6].
Согласно этой модели, первая стадия - подготовительная, т. е. предраз-рушение. На этой стадии в объёме нагруженной части породы происходит объёмная генерация и накопление микротрещин и др. дефектов до определённой концентрации. На второй -заключительной стадии, происходит доразрушение, т. е. слияние трещин в более крупные и локальный доминирующий рост некоторых из них с образованием отдельностей. Согласно этому наиболее общему механизму разрушения горных пород, для инициирования первой стадии разрушения необходимо вводить энергию в породу объёмно, а для инициирования второй стадии разрушения - локально. При этом, для предразрушения могут быть использованы все виды энергетического воздействия на породу, в том числе и такие, которые в качестве способа разрушения оказались неэффективными. На сегодня наиболее разработаны способы ударного, теплового, вибрационного и СВЧ-электромагнитного ввода энергии в породу. А вот для доразрушения на забое скважины наиболее целесообразными могут быть удар и резание со сколом. Однако, последнее предпочтительнее, так как лезвие резца, отделяя слой породы, облегчает взвешивание бурового шлама в очистном агенте. В статье [5] такие способы разрушения, представляющие собой комбинацию способов предразру-шения и доразрушения, согласно двухстадийной модели разрушения
горных пород, предлагается назвать стадийными. Для реализации этих способов разрушения необходимы новые породоразрушающие инструменты. Разработку этих инструментов следует вести по новым техническим принципам конструирования породоразрушающего инструмента, а именно:
• принцип соответствия - согласно объёмному характеру предразруше-ния одни элементы породоразрушающего инструмента вводят энергию в породу объёмно, а другие, в соответствии с локальным характером доразрушения - локально;
• принцип раздельности - энергия для предразрушения и доразрушения вводится в породу раздельно.
Однако, принцип раздельности не имеет столь кардинального значения, как принцип соответствия, к тому же для стеснённых условий забоя скважины его надёжное конструктивное исполнение не всегда легко решается. С учётом последнего, в Институте горного дела Севера СО РАН (г. Якутск) разработаны буровой породоразрушающий инструмент (патент России N 2053346) и вставка для буровых съёмных зубков (патент России N 2039196).
Изложенные принципы представляют собой частный случай более общего принципа комбинирования. Шарошечно-режущие инструменты
Иркутского политехнического института, термомеханические долота, в которых одни элементы нагревают и предразрушают породу, а другие отделяют от породы разупрочнённый слой, давно известны производственникам. Таким образом, реализация стадийных способов разрушения в новых станках, как альтернативы шарошечному способу бурения, единственный и реальный на сегодня способ разрешения противоречия между старым "СОДЕРЖАНИЕМ" и новой "ФОРМОЙ" буровых станков.
Существенным недостатком буровых станков даже мирового уровня является их типизация по диаметрам бурения. В России этот типаж представлен диаметрами 100, 125, 160, 200, 250, 320 и 400мм. Анализ патентных данных показывает, что количество простых устройств, обеспечивающих бурение скважин широкого диапазона диаметров, крайне незначительно. Это отчасти объясняется и тем, что сам принцип разрушения ша-
рошечным долотом привязывает конструкцию станка к определённому диаметру бурения. Поэтому с
Рис. Универсальный снаряд для бурения скважин различного диаметра
переходом на стадийные способы разрушения буровые станки должны быть универсальными и по диаметру бурения. Ввиду крайней актуальности этого вопроса и почти отсутствия выбора устройств, обеспечивающих эту универсальность станкам, ниже приводится описание устройства для бурения скважин большого диаметра по патенту России N 20722047, см. рис. а и б. Устройство представляет собой буровой снаряд, который включает двойную буровую трубу 1; кольцевой пневмоударник или мощный вибратор или СВЧ-оборудование 2; расширитель скважины 3; установленный между пилот-долотом и расширителем шнековый транспортёр 4 с навивками, направление которых противоположно вращению снаряда. В корпусе транспортёра под его нижними лопастями выполнены загрузочные окна 5, сообщающиеся с внутренней полостью двойной колонны и пилот-долото 6. Воздух для очистки забоя подаётся через межтрубное кольцевое пространство снаряда в продувные каналы долота. От забоя воздух со шламом попадает в шламоприёмные
окна и оттуда в центральный канал двойного снаряда. Для выноса шлама шнекопневмотическим способом может быть установлен внутренний шнек в осевом канале внутренней трубы. Буровой снаряд может быть выполненным и одинарным, если подавать воздух на забой пилот-долота по отдельным воздухопроводам 7, закреплённым вдоль буровых труб, а лопасти обратного шнека выполнить коробчатыми 8, рис. б. Конструкция бурового снаряда позволяет изменить диаметр бурения простой заменой расширителя, орошать забой скважины известными способами и при этом вводить поверхностно-активные вещества для разупрочнения пород забоя. Тем самым решается задача пылеподавле-ния, разупрочнения горных пород и охлаждения породоразрушающих элементов.
Повышению производительности бурения способствует также эффективная очистка забоя. В этом плане в Кузбасском государственном техническом университете разработан и прошёл масштабные производственные испытания шнекопневматический
способ очистки забоя скважин, который показал свои преимущества по сравнению со шнековой очисткой и продувкой на всех станках, в любых условиях бурения, при использовании всех видов породоразрушающего инструмента [7].
Таким образом, устройство, представленное на рисунке а и б, реализующее стадийный способ бурения и универсальное по диаметру бурения и по системе очистки забоя, в дальнейшем просто универсальный буровой снаряд, является наиболее ответственной частью бурового станка, которая непосредственно определяет его количественные функциональные показатели. Такой универсальный снаряд можно навесить на любой буровой станок шарошечного типа. Однако, тогда мы получим новое противоречие между новым содержанием и старой формой. Разрешение этого противоречия видится в создании станка нового технического уровня.
В этом плане есть хорошие наработки в МГГУ, где под руководством проф. Р.Ю. Подэрни разработан проект шарошечного станка нового технического уровня, прошедший международную экспертизу на фирме "Ингерсолл-Рэнд" [8]. Станки нового технического уровня были спроектированы также и в ИГД им. А. А. Скочинского.
Таким образом, создание бурового станка нового поколения автор статьи видит в разработке бурового станка нового технического уровня с универсальным буровым снарядом.
Заключение
В этой статье сделана попытка показать, что в научно-техническом прогрессе страны имеется достаточный задел для разработки и создания бурового станка нового поколения, выделен буровой снаряд как наиболее важная и ответственная часть станка, и как существенный и отличительный признак станка нового поколения.
Поэтому концептуальным решением на пути создания бурового станка нового поколения будет исследование, разработка и широкие производственные испытания универсального бурового снаряда. Однако, решение этого вопроса потребует привлечения многих специалистов разного профиля и вложения многих мил-
лионов рублей, что отдельно взятой организации явно непосильно. Организационно этот вопрос можно решить в рамках симпозиума "Неделя горняка", где собираются ведущие учёные страны, организаторы и руко-
водители науки и горного производства. Столь высококомпетентное собрание сможет квалифицированно оценить актуальность поднимаемого вопроса и, при положительной оценке, наметить головную организацию и
практические пути материального и финансового обеспечения создания универсального бурового снаряда для станков нового поколения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шестимирова В.И., Антошенков В.И. Состояние и тенденции развития шарошечного буренияя //Обзор.-М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989.-36. с. с ил. (Горное оборудование, Стр.2.Вып.3).
2. Рубан А.А. О некоторых приоритетных направлениях НИОКР в ИГД им. А. А. Скочинского. //Уголь, 1997, ОТ.-С.9-12.
3. Мальченок В.О. Интенсификация процесса бурения скважин шарошечными станками. //В кн. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д.- М.: Недра, 1978. - С.179-184.
4. Сухов Р..И. Буровой снаряд для проходки взрывных скважин большого диаметра на карьерах в крепких горных породах.//Сб. докл. П Международной конференции по буровзрывным работам. 17-22 апреля 1995 г., г. Москва. - С.59-60.
5. Скрябин Р.М., Фёдоров Л.Н. Новые походы к организации ресурсосберегающих процессов разрушения горных пород. //Горный информационно-аналитический бюллетень. Изд-во МГГУ, 1995, N
5. - С. 59-62.
6. Дамаскинская Е.Е., Куксенко В.С., Томилин Н.Г. Двухстадийная модель разрушения горных пород.//Физика Земли, 1994, N10.-С.47-52.
7. Воронов Ю.Е. О возможности и перспективах создания универсальных станков вращательного бурения.//Изв. Вузов. Горный журнал. N8, 1994г.-С.96-97.
8. Подэрни Р.Ю., Хромой М.Р. Основные концепции создания бурового станка нового технического уровня. //Горный журнал. N3, 1994г.-С.35-39.
кПР!
ц ТІР
у у
Федорой Л.Н. сі. научный соїрудник, ления РАН. Инсшт трнот дела Севера Сибирскою о|де-
У
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
ФЕДОРОВ
в:\С диска по работе в универе\01АВ_20\01АБ4_00\ВСЕ С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго80й\ШаблоныШогта1Ло1т Буровой станок нового поколения: концепция
Панишев С.В.
19.04.2000 9:08:00 7
04.12.2008 16:25:00 Таня
35 мин.
04.12.2008 16:40:00 4
2 256 (прибл.)
12 865 (прибл.)
