CC BY
105
УДК 622. 233. 53
СОЗДАНИЕ ТЕХНИКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ СКВАЖИН
Анатолий Антонович Репин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе, тел. (383)217-08-61, e-mail: [email protected]
Сергей Евгеньевич Алексеев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Карпов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
Буровая техника представлена как инструмент исследований. Показана необходимость проходки прямолинейно направленных скважин. Описаны преимущества пневмоударного способа бурения. Представлены принципиальная схема и экспериментальный образец погружного пневмоударника малого диаметра и его техническая характеристика.
Ключевые слова: скважина, удар, энергоемкость, шлам, буровая коронка, расширение скважин, давление воздуха, буровой став.
LONG INVESTIGATION HOLE DRILLING EQUIPMENT
Anatoly A. Repin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Assistant Professor, Deputy Director for Science, tel. (383)217-08-61, e-mail: [email protected]
Sergey E. Alekseev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, tel. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
Vladimir N. Karpov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, tel. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
The article considers drilling equipment as a research tool. The authors discuss the issues and relevancy of straightness of borehole drilling and the advanced features of percussion drilling. The basic diagram and preproduction prototype of a small-diameter downhole hammer and its specification are presented in the article.
Key words: borehole, blow, energy consumption, drilling mud, drilling bit, reamer, air pressure, drilling assembly.
При производстве горных работ в различных условиях одной из важнейших составляющих является бурение скважин.
Важным направлением является проходка скважин для научных целей. При изучении напряженного состояния массивов горных пород необходимо проведение инструментальных измерений естественных напряжений в них. Это нужно для работы существующих и при строительстве новых горнодобывающих предприятий [1]. При эксплуатации искусственных сооружениях, таких как плотины гидроэлектростанций, для оценки их состояния, выявления зон неупругих деформаций, также необходимо определение внутренних напряжений. Прогнозирование опасных явлений, таких как горные удары, возникновение очагов самовозгорания в угольных шахтах, связанных с горным давлением, также нуждается в изучении напряженного состояния горного массива. Для установки регистрирующей аппаратуры внутри массива необходима проходка скважин различной протяженности и направления. Техника и технология бурения является необходимым инструментом проведения научных исследований.
На открытых работах при изучении структуры грунта, для определения неоднородностей, для обнаружения залегания полезных ископаемых, методом вибрационного или ударного воздействия на породу, также нужна установка датчиков внутри скважин.
Весьма сложной задачей является проходка скважин в породах средней и высокой крепости. Ударный способ обладает наименьшей энергоемкостью разрушения таких пород, позволяет снизить энергозатраты при производстве работ и обеспечить достаточно высокую производительность.
В середине прошлого века в России были разработаны первые конструкции и изготовлены первые образцы пневматических машин ударного действия, располагаемые непосредственно у забоя буримой скважины - погружные пневмоударники. Такое расположение обеспечивает наилучшую передачу энергии удара на забой, позволяет увеличить скорость бурения и глубину скважины. Сжатый воздух используется как энергоноситель и как очистной агент, что делает технологию бурения более рациональной. Эти обстоятельства, а также простота и относительная дешевизна этой техники делает привлекательным применение этих машин, как в подземных условиях, так и на открытых горных работах.
Погружные пневмоударники имеют выраженные особенности. Для размещения в ограниченном пространстве скважины они должны быть максимально компактными, а для эффективного разрушения горной породы должны обладать значительной мощностью. Повышены требования к их надежности.
Важным преимуществом является то, что при ударном взаимодействии, возникающие силы замыкаются в системе «ударник - инструмент - забой скважины», что дает возможность ограничится небольшой величиной осевого нажатия на забой скважины, а так же и крутящего момента. Это позволяет использовать в сравнении с другими способами бурения значительно более легкий буровой станок.
Одной из проблем при бурении является уводка скважины от заданного направления. Для повышения точности производимых исследований, для установки датчиков в строго заданном месте большое значение имеет прямолинейность буримых скважин.
На искривление скважин имеет влияние много факторов. К ним можно отнести неоднородность буримой породы, жесткость бурового става, усилие, приложенное к буровому снаряду, конструкция бурового инструмента и другие факторы.
При пневмоударном бурении разрушение породы происходит за счет удара ударника по буровой коронке и не требует большого осевого прижатия. Данный способ бурения способен обеспечить более прямолинейно направленное бурение.
Для сведения к минимуму факторов, влияющих на искривление скважины и при пневмоударном бурении необходимо использовать погружные пневмоударники наименьшего диаметра. Это позволяет уменьшить силовую нагрузку на буровой став и станок. Получение скважины нужного диаметра осуществляется путем расширения данной точно направленной передовой скважины до заданного размера.
Оборудование для проходки скважин исследовательского назначения должно обладать большой мобильностью для возможности ее доставки в самые различные места в подземных условиях и на открытых работах. Пневмоударники малого диаметра, а также легкий буровой станок не требует большого расхода воздуха и позволяет использовать легкие передвижные компрессоры. Возможно использование компрессоров небольшой производительности, но повышенного давления.
Небольшая площадь затрубного пространства позволяет осуществлять вынос шлама из скважины значительной протяженности небольшим количеством воздуха. Глубина скважины при работе на обычном давлении 0,5 - 0,7 МПа может составлять до 100 м, а при работе на высоком давлении (1,8 - 2,5 МПа) до 300 м.
Это, а также возможность проходки более прямолинейно направленных скважин говорит в пользу создания малогабаритной буровой техники.
Создание пневмоударника для бурения скважин малого диаметра является достаточно сложной технической задачей ввиду того, что диаметр скважины жестко лимитирует поперечные габариты погружного пневмоударника и ограничивает возможности образования рабочих площадей ударника необходимой величины.
При разработке пневмоударника для точно направленного бурения предпочтение следует отдать принципиальной схеме с центральным соударением ударника и буровой коронки. Это определяет более симметричное распределение сил при взаимодействии коронки с забоем, уменьшает изгибающие моменты и снижает риск искривления скважины. Для обеспечения надежности важно, чтобы тело ударника, как наиболее нагруженной детали не было ослаблено какими либо внутренними каналами.
Это особенно важно при использовании энергоносителя высокого давления, когда напряжения в ударных деталях значительно увеличиваются.
В Институте горного дела СО РАН проводится поиск таких решений. Предложена схема погружного пневмоударника (рис. 1), обладающая необходимыми качествами [2].
-I б .3 11 2. 7 1 Ю98
Рис. 1. Схема погружного пневмоударника с центральным соударением
ударника и коронки
1 - корпус; 2 - гильза; 3 - ударник; 4 - букса; 5 - буровая коронка; 6 - камера холостого хода; 7 - управляемая камера рабочего хода; 8 - камера рабочего хода постоянного давления; 9 - питающий канал для камеры холостого хода;
10 - питающий канал для камеры рабочего хода; 11 - выхлопной канал
Закрытый тип пневмоударника обеспечивает хорошую износостойкость трущихся посадочных поверхностей, а также хорошую очистку забоя скважины от бурового шлама, предотвращая его переизмельчение. Центральное соударение ударника с буровой коронкой улучшает передачу энергии удара за счет уменьшения поперечных колебаний, а также снижает напряжения в соударяющихся деталях вследствие более равномерного распределения ударной нагрузки по их сечениям. Беззолотниковое воздухораспределение и простота конструкции обеспечивает надежную работу машины. Это позволяет увеличивать энергетические параметры пневмоударника без особого риска поломки соударяющихся деталей. Используется шлицевое соединение пневмоударника с коронкой, что также позволяет уменьшить потери энергии при передаче ее от ударника к коронке.
К особенностям данной схемы можно отнести еще то, что ударник не имеет внутренних каналов ввиду того, что он расположен в полости охватывающей его гильзы и все необходимые воздухораспределительные каналы выполнены в ее стенках. Наличие гильзы несколько уменьшает степень использования поперечного сечения полости корпуса для образования рабочих площадей ударника. При необходимости повышения энергетических параметров это может осуществляться за счет увеличения рабочего давления.
По данной принципиальной схеме был спроектирован и изготовлен малогабаритный пневмоударник АШ45 (рис. 2), испытания которого показали хорошую работоспособность такой машины [3].
Пневмоударник предназначен для бурения вертикальных и горизонтальных скважин по углю и породам крепостью до f = 16.
Модификация пневмоударника может быть использована при формировании бурового снаряда в качестве ударной штанги также при ударно-поворотном бурении с использованием колонкового перфоратора, что позволило бы увеличить скорость бурения и глубину скважины.
Техническая характеристика
Диаметр буримой скважины, мм - 45
Глубина скважин, м - 100 и
более
Диаметр корпуса пневмоударника, мм - 39 Длина пневмоударника, мм - 737
Рабочее давление, МПа - 0.5 - 0.7
Энергия удара, Дж (при 0.5 МПа) -12
Частота ударов, с-1 (при 0.5 МПа) -20
Ударная мощность, Вт (при 0.5 МПа) - 240
о
Расход воздуха, м /мин. (при 0.5 МПа) - 0.4 образец пневмоударника АШ45
На полигоне ИГД СО РАН экспериментальным образцом пневмоударника было произведено пробное бурение по гранитному блоку крепостью f = 12 - 14. Для мокрого пылеподавления работа осуществлялась на воздушно-водяной смеси. Давление сжатого воздуха поддерживалось 0.5 МПа. Пневмоударник имел надежный запуск, блокировку и устойчивый режим работы. Скорость бурения по граниту составила 90 мм/мин. Первый опыт создания малогабаритного погружного пневмоударника для проходки глубоких шпуров показал перспективность данного направления. Открывается возможность и в этой области использовать преимущества пневмоударного способа бурения. Наращивание энергетических параметров малогабаритных пневмоударников может осуществляться при использовании энергоносителя высокого давления - 1.8 - 2.0 МПа, что позволит значительно увеличить скорость проходки скважин в крепких породах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Усков Д.В., Усков В.А., Виноградов В.И. Особенности проявления тектонических напряжений в подземных рудниках норильского промышленного района. В сб. Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Труды конференции. Новосибирск. 2007.
2. Пат. РФ № 2311521. Погружной пневмоударник /А.А. Репин и др. Опубл. 27.11.2007. Бюл. № 33
3. Алексеев С.Е., Репин А.А., Пятнин Г.А. Перспективы создания техники для комбинированного вращательно-ударного способа бурения шпуров. В сб.
Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. Труды конференции. Новосибирск. 2007.
© А. А. Репин, С. Е. Алексеев, В. Н. Карпов, 2014
