CC BY
72
УДК 622.233.6
Беляев
Александр Евгеньевич
Alexander Belyaev
Страбыкин Николай Николаевич
Nicolay Strabikin
Красноштанов Сергей Юрьевич
Sergey Krasnoshtanov
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ БУРОВЫХ СТАНКОВ ДЛЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ
FINAL ELEMENTS OF DRILLING RIGS FOR PERMAFROST ROCK MASSIFS OF COMPLEX STRUCTURE
Описываются научно-технические изыскания, This article gives the description of scientific and
проведенные кафедрой горных машин и руднично- technical research conducted by the Mining machine го транспорта Иркутского государственного Chair of Irkutsk State Technical University технического университета
Ключевые слова: буровой инструмент, бурение Key words: blasthole drilling tools, drilling of blastholes, взрывных скважин, очистка скважины, буровой станок drilling rig, well cleanup
Технические возможности бурового станка при бурении взрывных скважин зависят от совершенства его исполнительного органа и соответствия параметров исполнительного органа условиям бурения. Процесс бурения скважины состоит из двух основных операций - разрушения породы на забое скважины и удаления продуктов разрушения. В соответствии с этим исполнительный орган включает долото и систему транспортирования буровой мелочи. В качестве бурового
инструмента на карьерах широко применяют шарошечные и режущие долота, а для удаления буровой мелочи - шнековую очистку и пневмотранспортирование. В соответствии с этим исполнительный орган бурового станка состоит из долота и шнекового бурового става или долота и бурового става с продувочным агентом - сжатым воздухом.
Ученые кафедры горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета имеют много-
летний опыт создания новых конструкций исполнительных органов буровых станков. За это время разработаны:
- теория шнекового транспортирования буровой мелочи из скважины и методика расчета и выбора параметров системы транспортирования;
- теория пневмотранспортирования буровой мелочи из скважины и методика расчета и выбора параметров системы пневмотранспортирования;
- системы автоматической смазки шарошечных органов долот;
- принципы выбора и расчета параметров буровых долот;
- конструкции режущих долот со шнековой очисткой скважин;
- конструкции режущих долот с продувкой;
- конструкции комбинированных режуще-шарошечных долот;
- параметрический ряд шарошечных и комбинированных долот;
- инженерная методика бурения скважин на алмазодобывающих карьерах АК «АЛРОСА».
Шнековое транспортирование буровой мелочи является простым и надежным способом очистки скважины от продуктов разрушения. Однако оно имеет ограничения по глубине и диаметру буримых скважин, поскольку возникают значительные затраты энергии на преодоление сопротивлений сил трения и имеет место интенсивный износ бурового става. Шнек отстоит от забоя на высоту долота, а долото не приспособлено для целей транспортирования. В результате при нисходящем расположении скважин поступление буровой мелочи из призабойной зоны на шнек происходит за счет вытеснения продуктов разрушения инструментом при подаче его на забой. Это обуславливает возникновение значительных сопротивлений движению инструмента и ограничивает возможности выбора его типа и параметров. Фактически шнековое транспортирование буровой мелочи из скважины получило
применение только в сочетании с режущим буровым инструментом. Это объясняется характером взаимодействия режущего долота с породой и образующейся буровой мелочью. Скалываемые частицы породы приводятся в призабойной зоне в подвижное состояние, совершая вращательное движение вместе с долотом. Это способствует их разрыхлению и поступлению на шнек.
При шнековом транспортировании буровой мелочи имеют место две различные по характеру и причинам движения зоны - призабойная и шнековая. В призабойной зоне буровая мелочь создает значительные сопротивления движению инструмента. Экспериментально установлено, что применительно к режущему долоту типа 1РД-160Ш на перемещение буровой мелочи из зоны образования затрачивается до 15 % осевого усилия и до 50 % мощности, расходуемой двигателем вращателя [1, 2].
Шнековый буровой став представляет собой разновидность винтового конвейера, однако отличается большой специфичностью условий применения: возрастающей длиной транспортирования, спецификой загрузки, необычностью кожуха, роль которого выполняют стенки скважины. Разработанные теоретические основы шнекового транспортирования буровой мелочи из скважины учитывают эти особенности, а созданный на их основе метод расчета позволяет не только обоснованно выбирать рациональные параметры бурового става, но и оценивать показатели эффективности работы системы транспортирования в целом [1, 2].
Пневмотранспортирование буровой мелочи из скважины применяется на станках шарошечного и пневмоударного (ударновращательного) бурения. Параметры систем пневмотранспортирования принимались посредством эмпирических выражений, получаемых статистической обработкой экспериментальных данных. Поэтому существующие методы расчета несовершенны и не учитывают особенностей пневмотранспортирования про-
дуктов разрушения из скважины. Основы теории пневмотранспортирования базируются на принципе энергетического баланса, т.е. соответствия энергии воздушного потока той энергии, которая необходима для эффективного удаления буровой мелочи [2]. Предложенный на ее основе метод расчета параметров и показателей работы пневмотранспортных систем станков учитывает интенсивность образования буровой мелочи и распределение ее по крупности, которые оказывают решающее влияние на энергоемкость процесса транспортирования. Расчеты и экспериментальные исследования свидетельствуют, что при рациональных параметрах пневмотранспортной системы сменная производительность станков может быть повышена в среднем на 15 % [3].
Автоматическая смазка опор шарошечных органов долот обеспечивает повышение срока службы буровых долот в целом. Эффективность применения станков и стоимость бурения в значительной мере зависят от стойкости долот. В повышении стойкости долот кроется резерв улучшения техникоэкономических показателей работы станков. Наиболее широкое применение получили шарошечные долота. Они сложны по конструкции, не подлежат ремонту и восстановлению и являются инструментом одноразового использования. Опыт показывает, что в большинстве случаев преждевременный выход шарошечных долот из строя связан с износом подшипников и закливанием шарошек на опорах. Опоры шарошек не герметизированы, и смазка, набиваемая в опоры при сборке, в период приработки долота на забое и нагреве подшипников вытекает. В результате подшипники шарошек работают в режиме сухого трения.
Разработанные системы автоматической смазки типа АМ и УАС обеспечивают принудительную смазку опор шарошек во время работы долота [4]. С использованием таких систем смазки пробурено свыше 60 тыс. м скважин и достигнуто увеличение стойкости долот в
1,9...2,3 раза. Созданы и защищены авторскими свидетельствами на изобретение лубрика-
торы для смазки шарошечных органов комбинированных режуще-шарошечных долот, повышающие стойкость опоры комбинированного долота в 1,9 раза.
Принципы выбора и расчета параметров буровых долот. Поскольку бурение скважин включает два взаимосвязанных процесса
- разрушение породы на забое и очистку скважины от буровой мелочи, то параметры долота должны обеспечивать как рациональный режим разрушения, так и эффективное удаление продуктов разрушения из призабойной зоны. На основании исследования влияния различных факторов на показатели бурения, исследования процессов взаимодействия инструмента с породой и очистки призабойной зоны определены основные принципы выбора и расчета параметров долот [5, 6].
Режущие долота со шнековой очисткой применяются на станках вращательного бурения типа СВБ и СБР. Специфические особенности этих долот определяются шнековым способом очистки скважин, который обуславливает возникновение значительных сопротивлений в призабойной зоне со стороны буровой мелочи. Для снижения этих сопротивлений требуется уменьшение высоты долота и коэффициента перекрытия скважины инструментом. При этом большое разнообразие условий бурения исключает возможность создания универсального инструмента и требуется разработка конструкций долот применительно к конкретным условиям работы. Различные требования возникают, например, к инструменту для бурения мягких и сравнительно крепких пород.
В долотах для бурения мягких пород на первый план выступает режим удаления буровой мелочи из призабойной зоны. В этом случае скорость бурения ограничивается не возможностями разрушения породы на забое, а интенсивностью очистки призабойной зоны. Высота долота и коэффициент перекрытия должны быть минимальными. Для бурения мягких пород разработаны режущие долота типа РК и 1РД-160ШП [2].
В породах повышенной крепости важнейшим фактором является геометрия режущей кромки инструмента и требуется максимальное сокращение линии контакта с забоем, что достигается за счет применения сменных резцов. Для бурения по породам повышенной крепости разработана серия долот, последним из которых является долото 9РД-160Ш и 10РД-160Ш [2]. В этих долотах количество резцов сокращено до четырех, а число линий резания
- до трех. Коэффициент перекрытия скважины составляет 0,3. Долота нашли применение на разрезах Восточной Сибири и Монголии. При этом производительность станков возросла на
20...30 %, а расход долот сократился в 10 раз.
Режущие долота с продувкой могут успешно применяться для бурения взрывных скважин в породах крепостью до 7 по М.М. Протодьяконову. Экспериментальные исследования и отработка партии таких долот подтвердили их высокую эффективность [2]. При переходе на шарошечных станках в соответствующих условиях на режущие долота обеспечивается увеличение скорости бурения не менее чем в 1,5 раза и снижение энергоемкости процесса в 2.2,5 раза. При этом выход крупных фракций буровой мелочи (+3 мм) увеличивается в 1,9 раза.
В основу создания режущих буровых долот положен принцип крупного скола породы на забое скважины в сочетании со сменностью режущих элементов долота (резцы ШБМ 2С) по мере их износа.
Для бурения скважин диаметра до 160 мм станками со шнеко-пневматическим удалением буровой мелочи (СБР, БТС) разработано и нашло широкое применение на карьерах Мирнинского и Нюрбинского ГОКов АК "АЛРОСА" режущее долото 1РД-160ШП. При бурении станком БТС-150 в условиях карьера Нюрбинского ГОКа эти долота показали проходку на долото в 1,5 раза, а техническую скорость бурения - в 1,3 раза более высокие по сравнению с используемыми на карьере долотами РК 160-3. Для бурения с продувкой скважин на карьерах Дачный, ВГ, Нюрбин-
ский в настоящее время применяются также долота 3РД-215,9 на станках РМ-М2.
На карьере "Юбилейный" АК "АЛРОСА" режущие долота типа РД на 215,9 и 244,5 мм с очисткой скважины сжатым воздухом применяются с 1988 г. Внедрение их позволило увеличить сменную производительность станков в 2,2 раза и снизить расход долот в 20.40 раз.
Заложенные принципы выбора параметров буровых долот явились основой для разработки параметрического ряда режущих буровых долот во всем диапазоне применяемых диаметров скважин 160.270 мм, включающего все необходимые параметры 15 типов режущего бурового инструмента [7].
Комбинированные режуще-шарошечные долота предназначены для бурения по переслаивающимся породам различной крепости, когда мягкие, глиносодержащие породы чередуются с пропластками более крепких пород. В этом случае применение режущих долот исключается, а шарошечные долота не обеспечивают эффективного бурения основной массы пород.
Разработанные комбинированные долота типа РШД обеспечивают возможность в мягких породах обрабатывать забой с помощью режущего органа, а при повышении крепости пород осуществляется комбинированная обработка забоя - совместно режущим и шарошечным органами. Комбинированные долота типа РШД прошли широкую промышленную проверку. Под наблюдениями ими пробурено свыше 230 тыс. м скважин. При этом установлено, что в диапазоне изменения коэффициента крепости 4.12 скорость бурения комбинированным долотом в 1,5.2 раза выше, а энергоемкость процесса бурения ниже в 2.2,5 раза, чем шарошечным [8, 9].
На основании анализа условий и накопленного опыта бурения скважин на алмазорудных карьерах Республики Саха (Якутия) разработана инженерная методика технологии бурения. Предлагаемая технология бурения основана на стабилизации температурного режима скважины, соответствии типа и пара-
метров долота, а также режимов бурения -специфическим условиям бурения и свойствам пород. Разработанная методика технологии бурения скважин широко апробирована и внедрена на карьере "Юбилейный" АК "АЛРОСА".
Использование предложенных технических решений в практике выполнения буровзрывных работ на карьерах со сложнострук-
Коротко об авторах___________________________________
Беляев А.Е., д-р техн. наук, профессор кафедры горных машин и рудничного транспорта, Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ)
Дом. тел. (3952) 343312
Научные интересы: разработка бурового инструмента взрывных скважин
Страбыкин Н.Н., д-р техн. наук, профессор кафедры горных машин и рудничного транспорта, Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ)
Дом. тел. (3952) 331020
Научные интересы: разработка бурового инструмента взрывных скважин
Красноштанов СЮ., канд. техн. наук, зав. кафедрой горных машин и рудничного транспорта, Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ)
Раб. тел./факс (3952) 40-5069
Научные интересы: оптимизация техобслуживания и ремонта горного оборудования
турным строением многолетнемёрзлых горных массивов позволяет комплексно решать проблему интенсификации проходки взрывных скважин и получить существенный техникоэкономический эффект в процессе подготовки пород к выемке и ускорить темпы горных работ при разработке месторождений полезных ископаемых Сибири и Северо-Востока страны.
_________________________Briefly about the authors
A. Belyaev, Doctor of Engineering, Professor of Mining Machines and Transportation Department, Irkutsk State Technical University
Areas of expertise: design of drilling rigs for blastholes
N. Strabykin, Doctor of Engineering, Professor of Mining Machines and Transportation Department, Irkutsk State Technical University
Areas of expertise: design of drilling rigs for blastholes
S. Krasnoshtanov, Candidate of Science, Head of Mining Machines and Transportation Department, Irkutsk State Technical University
Areas of expertise: optimisation of mining equipment maintenance and repair
