Обоснование и выбор рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками

Актуальность работы. В последние десятилетия открытый способ добычи полезных ископаемых превалирует во всех горнодобывающих отраслях промышленности. Одним из основных технологических процессов этого способа является буровзрывное разрушение горного массива, эффективность которого во многом определяется уровнем технологии бурения взрывных скважин и надежностью применяемого оборудования, в том числе стойкостью (долговечностью) породоразру-шающего инструмента.

Для бурения пород повышенной крепости, как в мировой, так и в отечественной практике используют станки с исполнительными органами ударно-вращательного действия. Вместе с тем, разработанные за последние годы высоко-энерговооруженные станки нового технического уровня с погружными пневмоудар-никами повышенного давления на российских горнодобывающих предприятиях не нашли достаточно широкого применения. Во многом это связано с тем, что предлагаемые фирмами производителями ориентировочные значения долговечности инструмента часто существенно разнятся с их реальными значениями при эксплуатации в производственных условиях.

Несоответствие рекомендованных и фактических значений долговечности инструмента особенно отрицательно сказывается на эффективности бурения пород повышенной крепости, в том числе при разработке месторождений полиметаллических руд. В значительной мере это связано с отсутствием научно обоснованных рекомендаций по параметрам бурения в зависимости от стойкости буровых долот применительно к разработке месторождений полиметаллических руд. Только в том случае, когда режимные параметры бурения соответствуют стойкости инструмента, можно говорить о высокопроизводительной работе буровых станков. Однако применительно к станкам ударно-вращательного действия с погружными пневмоудар-никами повышенного давления такие рекомендации отсутствуют.

Таким образом, исследование взаимосвязи режимных параметров бурения с долговечностью инструмента и эффективностью проходки скважин станками ударно-вращательного действия в конкретных горнотехнических условиях представляется актуальной задачей.

Целью настоящей работы является обоснование и выбор рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками применительно к условиям разработки месторождений полиметаллических руд.

Идея работы заключается в том, что рациональное соотношение производительности бурения скважин и износостойкости инструмента при взаимодействии с забоем системы «буровой став — погружной пневмоударник — долото» определяется сочетанием режимных параметров и прочности горных пород.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Рациональное соотношение скорости бурения и стойкости бурового инструмента, определяющих эффективность ударно-вращательного бурения скважин, обеспечивается в узком диапазоне его режимных параметров, зависит от крутильных и продольных колебаний в системе «буровой став — пневмоударник — долотозабой», уровень и характер которых изменяются по глубине скважины. Требуемые соотношения достигаются определенной стратегией управления режимными параметрами, учитывающей наиболее характерные зоны устойчивого и неустойчивого бурения скважины и зону заклинивания бурового инструмента.

2. Закономерности формирования скорости ударно-вращательного бурения взрывных скважин и стойкости породоразрушающего инструмента при варьировании давления воздуха в пневмосистеме от 1,4 до 2,4 МПа для различных типов штыревых долот и пневмоударников повышенного давления, учитывающие влияние усилия подачи, скорости вращения бурового става и физико-механические свойства породного массива.

3. Эффективность ударно-вращательного бурения взрывных скважин, при которой скорость бурения и стойкость бурового инструмента достигают требуемых значений, обеспечивается при рациональном сочетании режимных параметров, определяемых в соответствии с установленной взаимосвязью скорости вращения бурового става, давления воздуха в пневмоударнике и физико-механических свойств горных пород.

Обоснованность и достоверность разработанных научных положений выводов и рекомендаций подтверждается: использованием апробированных методов системного подхода к идентификации процессов бурения и построения динамических моделей поведения системы «буровой став — пневмоударник — долото — забой" — применением известных методов математической статистики и планирования эксперимента при проведении экспериментальных исследованийдоверительным объемом статистических данных об износостойкости бурового инструмента при ударно-вращательном бурении взрывных скважин на действующих карьерах месторождений, разрабатываемых ОАО МНПО «Полиметалл" — удовлетворительной сходимостью (в пределах 20%) расчетных данных с результатами экспериментальных исследований.

Научное значение работы состоит в:

— установление характерных закономерностей, определяющих существенную чувствительность зоны эффективного бурения к незначительным вариациям динамических свойств системы «буровой став — пневмоударник — долото — забой», которые изменяются с глубиной бурения;

— научном обосновании рекомендаций по рациональным режимам бурения с прогнозируемым уровнем износостойкости бурового инструмента в конкретных горнотехнических условий;

— установление взаимосвязей между режимными параметрами, скоростью ударновращательного бурения и стойкостью инструмента для широкого ряда долот и погружных пневмоударников повышенного давления.

Практическая ценность работы заключается в: разработке методов и средств мониторинга состояния пневматических буровых станков ударного действияразработке методики выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударника-ми для конкретных условий эксплуатации.

Методы исследования: систематизация и анализ литературных источников, результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ о режимах ударно-вращательного бурения и износостойкости бурового инструментаэкспериментально-статистический метод с использованием теории случайных функций и программного пакета MS Excelэкспериментальные исследования и наблюдения в производственных условиях эффективности эксплуатации бурового оборудования для ударно-вращательного бурения взрывных скважин на карьерах с применением статистических методов планирования экстремальных экспериментов.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы при отработке режимов бурения и внедрении буровой техники фирмы «Ингерсолл-Рэнд» на предприятиях «Лунное», «Хаканджа», «Дукат», расположенных в Магаданском крае и входящих в ОАО МНПО «Полиметалл" — при проектировании ООО «СПб — Ги-прошахт» новых горных предприятий.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения были доложены на горнодобывающих предприятиях ОАО МНПО «Полиметалл», ОАО «Разрез Черниговский», в проектных институтах «Гипроруда» и «Гипрошахт», научно-технических советах ОАО ХК «Якутуголь», ЗАО «Могормаш», компаний «Ингерсолл-Рэнд», «Атлас-Копко», международной научнопрактической конференции «ЯкутНИИ! 1РОАлмаз» и научных семинарах ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Ско-чинского.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, содержит 126 страниц, 31 рисунок, 20 таблиц, список использованной литературы из 87 наименований.

Автор выражает признательность сотрудникам ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Ско-чинского за предоставленные ими данные о результатах исследований предшественников и методическую помощь при подготовке работы.

Основные выводы и результаты диссертационной работы: 1. Износостойкость бурового инструмента, даже при проведении скважин со сходными горно-техническими условиями, имеет значительный разброс значений (до 10 раз), что связано со значительной вариацией факторов, влияющих на процесс бурения.

2. Рациональные соотношения между скоростью ударно-вращательного бурения и стойкостью бурового инструмента сохраняются лишь в узком диапазоне значений его режимных параметров, за пределами которого происходит интенсивное изнашивание долота и снижение скорости бурения.

3. При проходке скважины существуют области, в которых из-за вариаций динамических составляющих в системе «буровой став — пневмоударник — долото — забой» возникает необходимость регулировать режимные параметры, что особенно важно для сохранения на приемлемом уровне интенсивности изнашивания инструмента. Установленные на основе результатов теоретических исследований характерные закономерности, связывающие изменения областей управления режимными параметрами в зависимости от развития при углублении скважины крутильных и продольных колебаний в системе, существенно расширяют теоретическую базу для прогнозирования износостойкости породоразрушающего инструмента.

4. Для рациональной проходки скважины необходимо иметь определенную стратегию управления режимными параметрами, такими как энергия удара А0 и частота вращения долота щ, учитывающую наиболее характерные зоны бурения:

— зона заклинивания бурового инструмента, определяемая величиной усилия подачи долота, которая для пневматических погружных ударников составляет 80.90 Н на один миллиметр диаметра скважины;

— зона неустойчивого бурения в автоколебательном режиме, которая определяется соотношением энергии удара, геометрии и механических свойств бурового инструмента, частоты вращения, физико-механических свойств пород массива;

— зона устойчивого бурения.

5.Установлены закономерности влияния на эффективность ударно-вращательного бурения скважин и стойкость штыревых долот различных, в том числе и режимных, параметров бурения взрывных скважин:

— с изменением давления воздуха в пневмосистеме с 1,4 до 2,4 МПа стойкость пневмоударников снижается в 3,5 — 4,3 раза по гиперболической зависимости, а долот, наоборот, в 1,5 — 1,7 раза возрастает;

— увеличение давления воздуха в пневмоударнике в 1,7 раза способствует росту скорости бурения в 1,6−1,8 раза, величина которой для пневмоударников различных конструкций при одинаковых режимах бурения существенно разнится. При этом изменение давления воздуха не влияет на характер формирования скорости бурения в зависимости от свойств разрушаемых пород. При давлениях 1,4 — 2,4 МПа с ростом прочности пород скорость бурения скважины линейно уменьшается;

— с увеличением диаметра долота потребная скорость его вращения уменьшается, при этом стойкость пневмоударников всех типов закономерно возрастает, что связано с увеличением затрубного пространства и уменьшением в этой связи удельных контактных давлений со стороны раздробленных частиц горной породы на изнашиваемую поверхность;

— при бурении скважин диаметром 152−172 мм наиболее рациональные значения усилия подачи на долото составляют 9−17 кН. Отклонения от данного соотношения не увеличивает скорость бурения, а ускоряет изнашивание долота. При увеличении прочности пород требуемые при бурении скважин усилия подачи пропорционально возрастают, скорость вращения бурового става уменьшается.

6. Установленные эмпирические зависимости скорости бурения и износостойкости основных типов штыревых долот от режимных параметров и физико-механических свойств горных пород позволили разработать методику выбора рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками для конкретных условий эксплуатации.

7. Разработаны и внедрены в эксплуатацию методы и средства мониторинга состояния пневматических буровых станков ударного действия.

Результаты исследований реализованы при эксплуатации ударно-вращательных буровых станков DM-45HP на трех месторождениях ОАО МНПО «Полиметалл» в Магаданской области, а также на предприятиях «Уральского горнометаллургического комбината» и ряда рудных карьеров Казахстана и Украины. Реализация разработанных рекомендаций только на трех горнодобывающих предприятиях ОАО МНПО «Полиметалл» позволила увеличить износостойкость буровых долот и пневмоударников от 2 до 7 раз, и получить реальный экономический эффект 2,3 млн руб. в год, что подтверждает практическую целесообразность и научно-техническую достоверность проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано законченное решение научно-исследовательской задачи определения для конкретных горно-технических условий рациональных параметров бурения взрывных скважин станками ударно-вращательного действия с погружными пневмоударниками, что имеет важное практическое значение для обеспечения эффективной эксплуатации бурового оборудования нового технического уровня при открытом способе добычи полезных ископаемых.