Научно-технические основы создания специализированных буровых инструментов и технологий их применения на карьерах

В основе всего промышленного производства стоит горная промышленность, осуществляющая добычу полезных ископаемых и обеспечивающая сырьевые потребности не только России, но и других стран. Основные объемы ^ горной массы подготавливаются к выемке буровзрывным способом, одним из главных технологических процессов которого является бурение взрывных скважин.

Буровой комплекс на открытых горных работах представляет собой крупную ресурсоемкую систему, в которой в настоящее время преобладает экстенсивное развитие. За последние годы рост производительности бурового оборудования практически прекратился и происходит значительное непрерывное увеличение затрат на буровые работы. Р В ближайшее десятилетие в России ожидаемые годовые объемы бурения на открытых горных, земляных и строительных работах превысят 60 млн. м скважин, освоение которых при существующих устаревших средствах бурения потребует списочного состава буровых станков более 1500 ед. и расходования в год 160 — 200 тыс. буровых инструментов. Ежегодные эксплуатационные затраты могут достигнуть 6 млрд руб., из них примерно 60 — 65% составят затраты на буровой инструмент. Поэтому создание эффективных буровых инструмен-ф тов и технологий их применения на карьерах является важной научно-технической проблемой.

Буровой инструмент является самым высоконагружаемым и ответственным элементом бурового станка, определяющим способ бурения в соответствии со свойствами буримых пород. Скоростные качества долота, его износостойкость и стоимость формируют главный критерий эффективности буровых работ — удельные затраты на бурение 1 м скважины, высокий уровень которых ^ не соответствует современным требованиям к использованию ресурсов предприятий.

Большие расходы на буровой инструмент объясняются преимущественно использованием на карьерах ресурсоемких (энергоемких) и сложных шарошечных долот (свыше 80% от всех объемов). Их стоимость непрерывно повышается, особенно долот увеличенного диаметра (244,5 — 320 мм), масштабы потребления которых интенсивно возрастают по технологическим причинам. Стойкость отечественных шарошечных долот в 5 — 6 раз ниже лучших зарубежных образцов.

Практика показывает, что выпускаемые шарошечные долота, конструктивные и ресурсные параметры которых изначально рассчитаны на жесткие требования проходки глубоких скважин, не могут соответствовать всем условиям бурения неглубоких взрывных скважин.

В горных породах с относительно небольшим коэффициентом крепости (f = 2 — 10), составляющих на открытых горных работах значительную долю (от 25 — 35% на добыче руд, алмазов и строительных материалов до 85 — 90% на угольных разрезах), в 1,5−3 раза большую производительность и экономичность по сравнению с шарошечными долотами могут обеспечить более дешевые и простые режущие долота, а в сложноструктурных породных массивах — долота с зубчато-дисковым вооружением и различные комбинированные инструменты.

Пилотные образцы (модели) некоторых видов долот усилиями ряда НИИ и вузов (НИИОГР, ИГД им. A.A. Скочинского, ГУЦМиЗ, ИрГТУ, КузГТУ и др.) разработаны давно, но серийное их изготовление и должное использование не организовано (за исключением режущих долот диаметром 160 мм для шне-ковых станков) и четкие границы их применения не определены. Многие известные технические решения в области буровых инструментов еще требуют длительной опытно-промышленной проверки и экономических обоснований.

Работа бурового инструмента органически сопряжена с технологическими процессами бурения и характеристиками исполнительных механизмов бурового станка. Поэтому необходимо обеспечивать согласованность параметров создаваемых новых моделей буровых инструментов с режимными параметрами процессов разрушения пород и удаления продуктов разрушения из забоя скважины, а также с параметрами буровых станков (механизмов вращения, подачи бурового инструмента и очистки скважины).

Особенно больших изменений требуют устройства и параметры пнев-мотранспортных систем буровых станков при использовании высокопроизводительных долот режущего и режуще-скалывающего действия. Их работа сопровождается выходом из скважины крупнокомпонентных концентрированных пневмосмесей, оптимальные условия стабильного перемещения которых из скважины (без ее зашламовывания) окончательно не определены.

До сих пор не найдены надежные инструменты и технологии проходки скважин в достаточно распространенных аномальных геологических условиях, когда сочетание вязких водонасыщенных глинистых формаций и включений крепких пород обусловливает чрезвычайно низкие технико-экономические показатели бурения с пневмоочисткой скважин вследствие запрессовывания продувочных каналов БИ и блокирования работы их вооружения.

В процессе бурения со шнекопневматической очисткой скважин в указанных условиях наблюдается интенсивное изнашивание шнековых штанг и увеличение потребляемой мощности, особенно с ростом диаметра и глубины скважин.

Следовательно, возникает необходимость совершенствования и разработки новых способов очистки скважин от бурового шлама.

Выпускаемые ШД являются неремонтопригодными, не подлежат восстановлению и 80% из них преждевременно выходят из строя из-за износа опор и вооружения. Ресурс долот при этом остается невыработанным. Кроме того, ШД имеют на вооружении дорогостоящий металлокерамический твердый сплав (ВК8 В, ВК11ВК и др.), и до настоящего времени нет эффективной технологии его извлечения из отработанных ШД.

Отсутствует технология централизованной переработки и реставрации изношенных буровых долот, в связи с чем остро стоит вопрос разработки методов вторичных конструктивных обоснований БИ и технологии его утилизации.

Таким образом, важное значение приобрела научная проблема теоретического обоснования и разработки эффективных БИ и целого ряда технологий их использования при бурении на ОГР, решение которых внесет существенный вклад в повышение уровня рентабельности горных предприятий.

Диссертационная работа основана на материалах и результатах исследоШ ваний, проведенных при непосредственном участии автора в течение 1995 -2005 г. г. на кафедре «Горные машины и комплексы» ГОУ В ПО «ГУЦМиЗ» по научно-техническим (государственным) программам Госкомвуза РФ и Минобразования РФ и по прямым договорам с предприятиями горнодобывющей и металлургической промышленностей.

Целью диссертационной работы является научное обоснование и разработка буровых инструментов и технологий их применения, обеспечивающих интенсификацию процессов разрушения пород, повышение производительно.

4 сти и экономичности бурения взрывных скважин на карьерах.

Основная идея работы заключается в создании эффективных разборных буровых инструментов и способов удаления бурового шлама, соответствующих специфике условий бурения взрывных скважин.

Основные защищаемые научные положения диссертации:

1. Эффективное функционирование системы «горная порода — буровой инструмент — буровой станок» достигается созданием специализированных буровых ф инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью породоразрушающих элементов, а также установлением пропорции между применяемыми типами долот и объемами буримых пород по крепости.

2. Разработанные конструкции и практика применения долот с зубчато-дисковыми шарошками обеспечивают двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарными резцами и расширяют об ласть эффективного применения высокоскоростного бурения резанием в слож-ноструктурных породных массивах с Г< 8, имеющих включения до 10 — 12.

3. Созданная теория и математическая модель взаимодействия вооружения ДЗДТГГ с разрушаемой породой, а также конструктивных и аэродинамических параметров с показателями систем очистки скважины от бурового шлама являются достаточной основой для определения рациональных режимов бурения и параметров буровых станков.

4. Предложенный пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство — шнековый пневмо-эжекционный эвакуаторобеспечивают рациональный режим очистки, увеличение скорости подъема бурового шлама из скважины, снижение расхода и давления воздуха.

5. Разработанные методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации буровых инструментов значительно повышают эффективность использования их ресурса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: сочетанием и согласованностью теоретических исследований и опытных испытаний разработанных способов и устройств очистки скважин, конструкций буровых инструментов, способов их конструктивных преобразованийприменением методов смещенных гипербол, статистического и математического анализа, конечно-элементных технологий моделирования (численных методов расчета), а также кинематических исследований новых буровых инструментов. Научно-технические рекомендации и разработки диссертации подтверждены положительными результатами опытно-промышленных испытаний новых буровых инструментов, технологий их восстановления и способов удаления бурового шлама, проведенных на карьерах Сибири и Хакасии.

Научная новизна результатов исследований состоит в:

— разработке экономико-математической модели системы «горная порода — буровой инструмент — буровой станок», включающей описание процесса вращательного бурения методом смещенных гипербол;

— обосновании целесообразности создания разборных буровых инструментов с возможностью многократного использования деталей, взаимозаменяемости породоразрушающих элементов и для применения в широком диапазоне изменения горно-технологических условий бурения;

— обосновании осевых усилий, необходимых для устойчивой работы долот с зубчато-дисковыми шарошками;

— разработке пневмо-эжекционного способа и устройства очистки скважины от бурового шлама;

— оценке влияния конструктивных, аэродинамических, кинематических и технико-экономических параметров долот с зубчато-дисковыми шарошками на эффективность процесса бурения;

— обосновании способов конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента;

— разработке экономико-математических моделей забойного процесса для сравнительной оценки и прогнозирования эффективности буровых инструментов с учетом их новых конструктивно-потребительских качеств и конструктивных преобразований.

Практическая и методологическая значимость результатов работы состоит в разработке:

— ряда новых видов специализированных буровых инструментов, способных осуществлять эффективное бурение взрывных скважин в расширенных диапазонах изменения горно-геологических условий и составить успешную конкуренцию дорогим отечественным и зарубежным шарошечным долотам;

— буровых долот с зубчато-дисковыми шарошками (ДЗДШ), обеспечивающих в сложноструктурных породных массивах с < 8 (при наличии включений до Г = 10 -12) повышение скорости и экономичности бурения в 1,3 — 1,5 раза по сравнению с шарошечными долотами и увеличение стойкости породоразрушающих элементов в 2 раза по сравнению с режущими долотами;

— методики определения рациональных конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса очистки скважины от бурового шлама;

— методики определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих устойчивую работу их с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот;

— пневмо-эжекционного способа удаления бурового шлама и шнекового пнев-мо-эжекционного эвакуатора, повышающих эффективность процесса очистки скважин при бурении сложноструктурных породных массивов и снижающих энергоемкость процесса очистки скважин;

— методов конструктивных преобразований бурового инструмента, обеспечивающих повышение ресурса работы долот и снижение расходов на бурение;

— методов извлечения твердосплавных зубьев из отработанных шарошечных долот, что приводит к экономии ресурсов;

Результаты работы реализованы в следующих направлениях. В научно-технических программах и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:

— «Исследование и разработка перспективных способов и устройств бурения крепких пород», № гос. регистрации 1 900 059 971, 1995 г. — Заказчик: Госкомвуз РФ;

— «Разработка технологии, проектирование участка и изготовление шарошечного и режуще-вращательного бурового инструмента», № 390/98, 1998 г. — Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

— «Теоретические основы извлечения твердого сплава из бурового инструмента с целью его вторичного применения». Единый заказ-наряд, 1996;1998 г. г. — Заказчик: Минобразования РФ;

— «Разработка перспективных способов и устройств для бурения крепких пород», 1999 г.-Заказчик: Минобразования РФ;

— «Проектирование участка, разработка технологии изготовления и восстановления бурового инструмента», № 852/00, 2000;2002 г. г.- Заказчик ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

— «Разработка и поставка разборных шарошечных буровых долот режущего действия», № М-04−01, 2004 г. — Заказчик: ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «СУЭК»;

— «Разработка и исследование буровых инструментов с дисковыми шарошками для угольных разрезов" — НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" — № гос. регистрации 1 200 309 829, 2003;2004 г. г. — Заказчик: Министерство образования и науки РФ. Долота РШД-244,5, и ДЗДШ-244,5 — включены в каталог научно-технических разработок по подпрограмме «Топливо и энергетика».

В промышленности:

— проект участка и техническая документация для изготовления специализированного бурового инструмента и восстановления долот приняты к использованию на ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

— опытная партия долот ДЗДШ-244,5−3 реализована на Мазульском руднике ОАО «Ачинский глиноземный комбинат»;

— опытные образцы долота ДРВУ-244,5−3 реализованы на ОАО «Угольный разрез Чал пан» (Республика Хакасия);

— опытная партия долот ДЗДШ-244,5−3 и ДЗДШ-244,5−4 реализована на разрезе «Черногорский» ООО «Черногорская угольная компания» (Республика Хакасия);

— результаты опытных испытаний долот ДЗДШ положительно оценены в ОАО «СУЭК». Рекомендовано провести полномасштабные испытания долот на четырех разрезах Хакасии, по результата*м которых принять решение об организации серийного производства на Бородинском ремонтно-механическом заводе для горнодобывающих предприятий;

— технология восстановления шарошечных долог передана на ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», по которой восстановлена опытная партия долот, реализованная на Мазульском руднике;

— пакет технологической документации на изготовление специализированных долот (РШД-244,5, ДЗДШ 244,5−3 и ДЗДШ 244,5−4) принят к реализации в ОАО «Сибирский инструментальный завод»;

— пакет конструкторской документации на изготовление устройства для пневмо-эжекционной очистки — шнекового пневмо-эжекционного эвакуатора (ШПЭ-244,5) — передан на ремонтно-механический завод ОАО «Сорский горнообогатительный комбинат» (Республика Хакасия), по которой изготовлен опытный экземпляр устройства;

— пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и устройство ШПЭ-244,5 испытаны на Мазульском известняковом руднике ОАО «АГК».

В учебном процессе:

— основные результаты диссертационной работы, изложенные в пяти учебных пособиях (2 — автор A.B. Гилев, 3 — авторы В. Д. Буткин и A.B. Гилев), используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ»;

— изготовленный стенд «Пневмо-эжекционный способ очистки скважин» используется в научно-исследовательских работах студентов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались:

— на Международных конференциях: «Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых» (Красноярск, 1996 г.) — по открытым горным работам (Москва, 1996 г., 1998 г.) — «Проблемы разработки месторождений глубоких карьеров» (Челябинск, 1996 г.) — «16ТН ANNUAL ISTD TECHNICAL CONFERENCE» (Las Vegas, Nevada, USA, 1996) — Всероссийской научно-практической конференции и выставке с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (Красноярск, 1999 г.) — «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения» (Мирный, 2001 г.) — на научных симпозиумах «Неделя Горняка» (Москва, 1999, 2005 г. г.) — «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании» (Пенза, 2003 г.) — «Современные технологии освоения минеральных ресурсов (Красноярск, 2004, 2005 г. г.);

— на Всероссийских конференциях: «Перспективные материалы: получение и технологии обработки» (Красноярск, 1998 г.) — «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 1998, 2001, 2002 г. г.), VII Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» и III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003 г);

— на научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2003 г.), на конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва, 2004 г.).

Личный вклад соискателя в работу состоит: в постановке цели и задач диссертационной работыразработке ряда конструкций специализированных буровых инструментов (защищенных патентами) и их систематизациинаучном обосновании рациональных режимов бурения долотами ДЗДШустановлении влияния конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ на закономерности движения бурового шлама при пневматическом и шнекопневма-тическом способах очистки скважиныв разработке пневмо-эжекционного способа эвакуации бурового шлама и устройства для его реализацииразработке ряда методов конструктивных преобразований и утилизации буровых инструментов с обоснованием их эффективности.

Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором.

По теме диссертации всего опубликовано 75 научных работ, в том числе 2 монографии, 5 учебных пособий, 9 статей в центральных изданиях, представлено 10 докладов на международных научно-практических конференциях, получено 14 патентов на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 386 страниц машинописного текста, включая 120 рисунков, 42 таблицы и библиографический список литературы из 167 наименований.

Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ современного состояния техники и технологии буровых работ на карьерах, которые характеризуются большими затратами на бурение вследствие преимущественного использования дорогих, энергоемких и сложных шарошечных долот, которые не могут полностью соответствовать всем существующим условиям бурения взрывных скважин.

2. Разработана комплексная экономико-математическая модель забойного процесса и функционирования системы «горная порода — буровой инструмент — буровой станок», позволившая определять эффективность работы буровых долот и целесообразные пути их преобразования.

3. Обосновано, что значительное повышение эффективности буровых работ на открытых горных работах достигается созданием специализированных буровых инструментов, обладающих разборностью, многократностью использования корпусных деталей и взаимозаменяемостью сменных породоразрушающих элементов в соответствии с горно-геологическими условиямиоптимизацией параметров режима бурения с учетом новых конструктивных и повышенных скоростных и ресурсных характеристик буровых инструментовустановлением пропорций между соотношением применяемых типов долот и объемов разрабатываемых пород по крепости.

4. Разработан ряд новых моделей специализированных буровых инструментов (11 наименований, защищенных патентами на изобретения), основанных на базовых моделях и систематизированных по конструктивным признакам, способам разрушения горных пород, областям применения и режимам бурения.

5. Обоснованы, разработаны и испытаны новые модели буровых долот режущего действия с зубчато-дисковыми шарошками, кинематика которых обеспечивает двукратное повышение стойкости по сравнению с режущими долотами со стационарным вооружением и позволяет осуществлять эффективное бурение скважин в сложноструктурных породных массивах с? < 8, имеющих включения до Г = 10 — 12.

6. Разработана методика определения рациональных конструктивных и аэродинамических параметров долот ДЗДШ, обеспечивающих значительное снижение энергоемкости процесса очистки скважины от бурового шлама.

7. На основе кинематических исследований и забойного процесса разрушения горных пород разработана методика определения рациональных режимов бурения скважин долотами ДЗДШ, обеспечивающих их устойчивую работу с повышенными величинами скорости бурения и стойкости долот.

8. Обоснованы, разработаны и испытаны новый пневмо-эжекционный способ эвакуации бурового шлама и реализующее его устройство — шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор, позволяющие устанавливать рациональный режим очистки с помощью эжекции воздушно-шламового потока, управления его концентрацией, регулирования параметров воздуха в пневмотранспортной системе станка и винтообразного движения шлама, что приводит к увеличению скорости подъема и наклонному безвозвратному выносу его из устья скважины, снижению расхода и давления воздуха, повышению скорости проходки и уменьшению энергозатрат на процесс бурения.

9. Обоснованы и разработаны методы конструктивных преобразований, восстановления и утилизации бурового инструмента (защищенные патентами на изобретения), позволяющие повысить ресурс долот и снизить затраты на процесс бурения скважин. Предложена методика технико-экономической оценки эффективности восстановления долот. Результаты опытнопромышленных испытаний на Мазульском известняковом руднике доказали эффективность метода восстановления шарошечных долот, реализация которого позволяет значительно снизить расходы на буровой инструмент.

10. Практическая значимость научных разработок и технических решений, приведенных в диссертации, подтверждена их опытно-промышленными испытаниями и внедрением, проведенными в условиях ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», ООО «Черногорская угольная компания», ОАО «Угольный разрез «Чалпан» «и др. Техническая документация на изготовление долот ДЗДШ принята к реализации в ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации разработаны и обоснованы теоретические положения, совокупность которых можно классифицировать как решение крупной научно-технической проблемы повышения эффективности средств и технологий бурения взрывных скважин на открытых горных работах, имеющей важное народно-хозяйственное значение для развития горнодобывающей отрасли страны.