Перспективы развития конструктивных параметров пневматической буровой техники Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

3. Гафт Я.З. Набивные сальниковые уплотнения. Обзорная ХимНефтеМаш, 1972. - 32 с. информация: Серия ХМ-4. Насосостроение. - М.: Из-во ЦИНТИИ-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------------------------------------------

Кузубов А.А. - Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов.

Погонин Анатолий Алексеевич — профессор, кандидат технических наук, Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов.

Сизова Е.И. - Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов.

© Б.Г. Климов, Л.И. Матвеева, 2002

УДК 622.233

Б.Г. Климов, Л.И. Матвеева ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ

П

ри бурении шпуров и скважин широко используются пневматические перфораторы, буровые головки и погружные ударники. Разнообразие условий эксплуатации и типоразмеров оборудования не позволяет однозначно на базе их технических характеристик дать ответ о целесообразности применения конкретной машины и тем более оценить экономические показатели ее применения. Метод расчета таких показателей должен основываться на определении удельной себестоимости единицы продукции. Элементами себестоимости любого товара являются совокупность заработной платы и начислений на нее, стоимости затрат на энергию, материалы и объем амортизационных отчислений.

Пусть минимум стоимости бурения погонного метра шпура (скважины) определяет наиболее эффективный или перспективный вид и тип оборудования для конкретных условий. Время бурения метра шпура в минутах с учетом формулы Ю.Г. Коняшина [1] по скорости процесса определяется как:

t = -

d 2 f

3,36 • А • п

(1)

где d - диаметр шпура, мм; f - крепость пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова; А - энергия единичного удара, Дж; п - частота ударов, с-1

По В.М. Осецкому [2] энергия единичного удара, вызывающая внедрение коронки в породу и ее разрушение:

■ 2

А = А

0

ті + m2k ті + т2

2)

где энергия ударника перед нанесением удара: А0 = Р^,

(3)

где р - разность давлений в камерах рабочего и холостого хода, Па; F - площадь ударника, м2; S - ход ударника, м; т 1 и т2 - соответственно масса ударника и бурового инструмента, кг; k - коэффициент восстановления при ударе.

С увеличением глубины скважин рост массы штанг т2 при использовании перфораторов и буровых головок снижает эффективность применения мощных ударных устройств, и предпочтение следует отдавать погружным пневмоударникам.

Частота ударов при равенстве времени рабочего и холостого ходов ориентировочно может быть рассчитана как:

п =

2 • £ • т

р • F

(4)

таким образом, с учетом (1)-(4) удельная стоимость затрат на рабочую силу составит:

(5)

(

2

где к1 - коэффициент, учитывающий эксплуатационные условия [3]; Тр - минутный тариф оплаты труда, руб/мин.

Как следует из формулы (5), рост р и F является наиболее эффективным путем для снижения удельных затрат на заработную плату за счет интенсификации процесса и повышения энерговооруженности труда.

Стоимость энергетических затрат является функцией уровня

абсолютного давления сжатого воздуха р и величины давления в атмосфере ра [3], т.е. степени сжатия воздуха в компрессоре:

( - \к3

С 2

Ра

\

-1

(6)

При этом рост р, что вполне естественно, часть эффекта от снижения Сі ликвидирует. Это позволяет для конкретных условий по минимуму суммы С1 и С2 оптимизировать S, р, ті

Стоимость оборудования и, следовательно, уровень амортизационных отчислений, очевидно, могут быть функционально выражены как:

^ , FS

Сз = и — , (7)

Р

Минимум суммы правых частей (5), (6), (7) определяет уровень эксплуатационных расходов и является эффективным критерием выбора имеющегося, проектируемого или приобретаемого оборудования для производства буровых работ. Если сумму эксплуатационных расходов обозначить через С, то оптимальное сочетание параметров ударника для конкретных условий производства можно найти из решения системы уравнений?

^ + № = 0 др др

— +1— = 0 I (8)

дS дS !> (8)

дС+^=о

дЕ дЕ

і// = А - pFS = 0

Использование множителя Лагранжа Л и неизвестных р, S и Е позволяет осуществить оптимизацию как всех трех главных параметров, так и в частных случаях рациональных пар, то есть р и S для погружных ударников или р и Е для буровых головок, принимая каждый раз третий главный параметр за постоянную заданную величину.

Расчет вариантов удельных затрат С для применения оборудования с различными конструктивными параметрами при технико-экономическом моделировании условий эксплуатации с помощью матриц Плакетта-Бермана или многофакторных линейных моделей позволяет выбирать как рациональные типы машин, так и проектировать оптимальное сочетание в них конструктивных параметров.

Экономический критерий минимума эксплуатационных затрат гарантирует правильность выбранного решения по типу машины или позволяет оценить перспективность определенного направления развития техники.

Опыт применения таких моделей в СКГТУ подтверждает правомерность и практичность использования стандартных методов планирования экспериментов, которые в конкретных случаях выполняются расчетными способами.

Тенденция перевода пневмоударников на повышенное давление воздуха 1,7; 2,3 и даже 3,4 МПа [4] является эффективным средством интенсификации процесса и снижения себестоимости бурения при высоком уровне оплаты труда. Однако, как показывают наши расчеты, высокая стоимость энергии при низком тарифе стоимости рабочей силы не всегда способствует внедрению в горную практику передвижных компрессорных станций и многоступенчатых компрессоров высокого давления [5].

Так как эксплуатация оборудования с повышенным давлением сжатого воздуха связана с риском роста его утечек через неплотности резьбовых замков штанг и зазоры подвижных соединений, то количество воздуха для бурения

метра скважины следует считать как:

V = V

у а *

( - - Л

*-+ Р

Ра | Ра

(9)

Удельный расход сжатого воздуха в м на погонный метр скважины составит:

V = 120Е£^ . (10)

Первое слагаемое в скобках формулы (9) позволяет переводить к условиям атмосферного давления сжатый воздух объема V, а второе слагаемое характеризует утечки.

Р

Так как ----= є - степень сжатия воздуха, то при за-

Ра

данном проектном уровне утечек а в долях полезного расхода коэффициент утечек?

К5 =

(іі)

Из теории работы компрессоров известна удельная работа на производство сжатого воздуха с заданной степенью сжатия, поэтому расчет затрат энергии на эту статью расходов не представляет затруднений.

Отдельные фирмы, поставляющие оборудование для бурения скважин на повышенном давлении сжатого воздуха, утверждают, что рост давления приводит к пропорциональному росту расхода воздуха. Это свидетельствует о незначительной величине а и высоком качестве этого оборудования. Такой характер изменения расхода воздуха не является правилом, а отклонения в тенденциях носят подчас противоположный характер.

Для погружных ударников ограничение роста площади ударника F для заданного диаметра скважины позволяет прогнозировать разработку ударников повышенной ударной мощности за счет роста хода ударника S. Для выносных ударников увеличение F не является технологическим ограничением, и даже при низком давлении в сетях пневмоснабжения это направление можно считать перспективным.

Так, сравнительная оценка буровых головок типов БГА и БГП показывает, что при одинаковом их весе увеличение диаметра ударников с 0.1 до 0,14 м привело к увеличению ударной мощности в 2,5 раза при росте затрат воздуха толь-

ко на 40 %. Все это косвенно подтверждает приемлемость предложенных критериев и стратегии развития параметров пневмоударной буровой техники.

Существенным резервом интенсификации процесса бурения является выбор рационального сочетания не только геометрических параметров ударника, но и непосредственно его ударной массы т\. Технико-экономическое моделирование таких машин [6] подтверждает, что наивыгоднейшая комбинация F,S, р и т\ определяется как экономическими (тарифы), так и технологическими параметрами (диаметр скважин, их длина, крепость пород). При этом рост давлений сжатого воздуха позволяет рационально увеличить как массу ударника, так и его ударную мощность. Применение штыревого бурового инструмента с высокой удельной нагрузкой на активные элементы позволяет эффективно реализовывать рост ударной мощности для погружных ударников в подземных выработках и на открытых работах. Разра-

ботка малогабаритных погружных ударников [7] расширит область эффективного бурения глубоких скважин малого диаметра.

Простота воздухораспределения в системе поршень-золотник гарантирует высокую надежность оборудования, а отсутствие технологического ограничения на увеличение активной площади ударника позволяет надеяться на разработку мощных буровых головок для самоходной буровой техники и установок колонкового типа.

Выполненный обзор нельзя считать исчерпывающим в области перспектив развития техники бурения, но авторы надеются, что он будет полезен как разработчикам горной техники, так и инженерному персоналу по эксплуатации существующих машин. При этом можно прогнозировать как снижение требований по заточке коронок, так и появление новых буровых машин [8].

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. -М.: Недра, 1987.

2. Осецкий ВМ. Техническая механика. - М.: Госгортехиздат, 1962.

3. Климов Б.Г., Гильянова Л.Н., Кольцов С.А. Оптимизация параметров и режимов работы погружных пневмоударников: Сборник трудов конференции к 100-летию В.Г. Михайлова, ЮРГТУ, Новочеркасск, 1999.

4. Подвиженский С.Н., Иофин С.Л., Ивановский Э.С., Гальперин В.Г. Техника и

технология добычи руд за рубежом. - М.: Недра, 1986.

5. Климов Б.Г., Хадонов А.В. Модернизация оборудования для бурения скважин штыревыми коронками. - Владикавказ: Терек, 1999.

6. Климов Б.Г., Гильянова Л.Н., Коль-

цов С.А. Многофакторные модели функционирования пневмоударников/Труды

СКГТУ, вып.7, Владикавказ, 2000.

7. Климов Б.Г., Гильянова Л.Н., Мат-

веева Л.И., Кольцов С.А. Малогабаритные погружные пневмоударни-

ки/Международный симпозиум "Механиз-

мы и машины ударного, периодического и вибрационного действия", Орел, ГТУ, 2000.

8. Дворников Л.Т., Прядко Ю.А., Гудимов С.Н. Бурение шпуров без вращения инструмента с рациональным размещением твердосплавных вставок. Изв. ву-зов.//Горный журнал, 1987, № 11.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Климов Б.Г., Матвеева Л.И. — Северо-Кавказский государственный технологический университет.