CC BY
48
УДК 6221.879.48.622
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПЕРЕВООРУЖЕНИЕ БУРОВОГО И ВЫЕМОЧНО-ПОГРУЗОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ РАЗРЕЗОВ - НАСТОЯТЕЛЬНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ ВРЕМЕНИ
1 О
Н.Н. Страбыкин1, Е.В. Пеплов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Анализ использования бурового и экскаваторного оборудования на угледобывающих разрезах позволил произвести объективную оценку его состояния и наметить пути технического перевооружения за счет модернизации и замены более совершенным. Табл. 1. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: буровой станок; вращательное бурение; гидрофикация; карьерный экскаватор; международная кооперация; конкурентоспособная горная техника.
TECHNICAL UPGRADING OF DRILLING AND EXCAVATING-LOADING MINING MACHINERY IS THE DEMAND OF TIME
N. Strabykin, E. Peplov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The analysis of the use of drilling and excavating machinery at coal mines allowed to make an objective assessment of its condition and to outline the ways of its technical upgrading at the expense of modernization and replacement with the improved equipment. 1 table. 12 sources.
Key words: boring rig; rotary drilling; hydrofication; mine excavator; international cooperation; competitive mining machinery.
Большинство буровых станков, карьерных и шагающих экскаваторов угледобывающих предприятий с открытым способом разработки имеет значительный износ - 80-85%, при установленном мировым опытом значении 50%. Половина экскаваторного парка и существенная часть бурового оборудования имеют истекший срок службы, находятся в физически и морально изношенном состоянии, однако, продолжают работать. Эксплуатация такого оборудования влечет снижение производительности ввиду продолжительного срока нахождения машин в ремонте. Кроме того, повышенная потребность в запасных частях, ремонтных материалах и комплектующих изделиях приводит к увеличению эксплуатационных затрат и невысоким технико-экономическим показателям. Все это обусловливает весьма низкий коэффициент использования бурового и экскаваторного оборудования. Так, на разрезе «Черемховский» ООО «Компания Востсибу-голь» в связи с использованием оборудования, отработавшего свой ресурс, значение коэффициента использования Ки наиболее низкое (таблица). В условиях разрезов «Тугнуйский» и «Мугунский» - более высокое за счет своевременного списания отработавшей свой ресурс и ввода в эксплуатацию высокопроизводительной импортной техники.
Сменная производительность буровых станков достигла 240 м (разрез «Мугунский») при коэффици-
енте использования станка на чистом бурении 0,48, а в случае уменьшения Ки до 0,42 снижалась до 180 м. В последние годы наблюдается некоторый рост интенсивности использования бурового и экскаваторного оборудования за счет перевода наиболее устаревших машин в консервацию, повышения использования эксплуатируемой техники по назначению в результате роста спроса на уголь и сокращения плановых ремонтов путем оперативного обеспечения запасными частями. Подобная ситуация имеет место на угледобывающих предприятиях Кузбасса и Красноярской угольной компании [1-3].
Причины негативных тенденций, влияющих на неудовлетворительное состояние эксплуатируемых буровых и выемочно-погрузочных машин на угольных разрезах, заключаются в снижении востребованности энергетических углей и уменьшении платежеспособного спроса на уголь, а также технологической несбалансированности по производительности экскаваторного и транспортного оборудования, снижения концентрации горных работ и изношенности оборудования.
Оценка эксплуатации бурового и выемочно-погрузочного оборудования на угледобывающих предприятиях свидетельствует о непрерывном повышении степени изношенности и удельного веса оборудования без остаточного ресурса, что сопровождается ростом аварийности и затрат на его восстанов-
1Страбыкин Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электротехнических систем, тел.: (3952) 405069, (3952) 331020, e-mail: strab@pp.Irkutsk.ru
Strabykin Nikolay, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mining Machinery and Electrotechnical Systems,
tel.: (3952) 405069, (3952) 331020, e-mail: strab@pp.Irkutsk.ru
2Пеплов Евгений Викторович, аспирант, тел.: 89086565150, e-mail: peplov@inbox.ru
Peplov Evgeny, Postgraduate, tel.: 89086565150, e-mail: peplov@inbox.ru
ление и недоиспользованием технических возможностей по производительности.
В связи со сложившейся на сегодняшний день производственной ситуацией значительная часть применяемого на разрезах бурового и выемочно-погрузочного оборудования, эксплуатируемого со сверхплановым сроком службы, должна быть заменена либо модернизирована в течение ближайших лет [4].
Обзор публикаций и патентов импортной буровой техники позволил установить, что отечественные буровые станки уступают импортным по конструктивному совершенству и технологии изготовления.
Импортные станки отличаются широким использованием гидравлических систем в приводах основных и вспомогательных механизмов, высотой мачты, соизмеримой с высотой уступа, что позволяет проходить скважину на всю глубину без наращивания става, непрерывной регулируемой подачей породоразруша-ющего инструмента на забой и возможностью регулирования расхода и рабочего давления потока воздуха, подаваемого на очистку скважины, универсальностью за счет применения различных буровых инструментов и систем очистки скважины от буровой мелочи [2, 5, 6].
Современный буровой станок является высокотехнологичным оборудованием, которое комплектуется изделиями специализированных изготовителей. Зарубежная фирма - изготовитель станка, как правило, проектирует и изготавливает металлоконструкцию станка и комплектует его стандартными покупными деталями. Такая сборочная технология позволяет быстро скомпоновать на линии производства машины с разнообразным сочетанием предлагаемых параметров при высоком качестве конечного изделия. Все зарубежные фирмы имеют развитые системы сервисного обслуживания горного оборудования в течение всего срока эксплуатации машины и возможность агрегатного ремонта.
Расширение области производительной работы бурового станка может быть достигнуто с учетом мирового опыта проектирования унифицированной буровой техники. Полная гидрофикация всех основных приводов позволяет механизировать и автоматизировать управление основными и вспомогательными операциями при работе станка. В качестве привода-вращателя рационально использовать высокомомент-ный радиальнопоршневой или аксиальнопоршневой гидродвигатели. Гидрофикация всех систем и приводов обеспечивает станку удачную компоновку агрегатов в рабочем пространстве машинного отделения и мачты, меньшую удельную массу систем, возможность регулирования выходных параметров в широ-
ком диапазоне, удобство в управлении и сравнительно несложное обслуживание. Гидрофицированные станки комплектуются первичным дизельным двигателем, который приводит компрессор и насосную станцию, питающую приводы отдельных механизмов станка. Это позволяет обслуживать станок одному оператору. Ввиду того что отечественные заводы не производят компонентов гидросистем высокого рабочего давления требуемого качества, рационально на первых этапах приобретение насосов и гидродвигателей, распределительных, регулирующих устройств и высоконапорных шлангов за рубежом и дальнейшее освоение технологии их изготовления отечественными заводами.
Наиболее оптимальным для сокращения сроков создания инновационного горнодобывающего оборудования при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом является международная кооперация машиностроительных предприятий России и ведущих фирм развитых стран. Сотрудничество российских угледобывающих и машиностроительных предприятий, научных и конструкторских организаций РФ с зарубежными партнерами создаст необходимые предпосылки для освоения российскими заводами технологий по изготовлению новых видов комплектующих или их покупки у зарубежных фирм (например, высококачественных компонентов систем и агрегатов гидропривода и микроэлектроники, отечественные аналоги которых в настоящее время не производятся заводами горного машиностроения РФ).
Одним из примеров такого сотрудничества уже сегодня может служить договоренность о поставках для оснащения станков СБШ-160/200-40 гидросистемами гидропривода фирмы Bosch Rexroth.
Опытные образцы полностью гидрофицированно-го станка СБШ-160/200-40 изготовлены на Воронежском заводе по производству горного оборудования «Управляющая горная машиностроительная компания «Рудгормаш». Этот станок предназначен для бурения взрывных скважин диаметром 160-216 мм, глубиной до 40 м на открытых разработках полезных ископаемых, а также для заоткоски уступов карьеров по предельному контуру и может быть оборудован дизельным или электрическим приводом. Вращательно-подающий механизм зубчато-реечного типа имеет гидромоторы, расположенные в одном блоке на подвижной каретке. Данный станок является станком экскаваторного типа на гусеничном ходу с индивидуальными гидроприводами на каждую гусеницу. Конструктивные решения, принятые инженерами завода при создании данного станка, являются наиболее про-
грессивными, чем при изготовлении других моделей отечественных буровых станков.
Опытные образцы бурового станка СБШ-160/200-40 проходят производственные испытания. Результаты отработки опытных образцов бурового станка СБШ-160/200-40 свидетельствуют о недостаточной крутильной жесткости мачты, что проявляется в режимах с максимальным реактивным моментом на вращателе в случае нахождения его в верхней части мачты. Применение системы гидропривода с открытой схемой циркуляции рабочей жидкости требует существенно большего объема жидкости, чем в системе с замкнутой схемой циркуляции. Необходимо также увеличение производительности компрессора до 35 м3/мин с возможностью регулирования расхода и рабочего давления потока сжатого воздуха и применения погружного пневмоударника.
На буровом станке СБШ160/200-40 имеется электронный блок учета производительности, который позволяет запрограммировать оптимальные параметры для выполнения основных операций бурения и поддерживать их в автоматическом режиме. Оператор может производить корректировку режимных параметров в соответствии с изменяющимися горногеологическими условиями карьера.
Опытные образцы бурового станка СБШ-160/200-40 успешно зарекомендовали себя на карьерах ОАО «Павловскгранит», ТОО «Карагандавзрывстройсер-вис», угольном карьере ТОО «Каражыра», «Костомук-шском РУ».
Производительность бурового оборудования в значительной мере зависит от соответствия породо-разрушающего бурового инструмента горно-геологическим условиям массива. Ввиду того что большинство вскрышных уступов имеет сложноструктурное строение с перемежением пород различных физико-механических свойств, подобрать один рациональный тип инструмента, способного эффективно разрушать забой по всей высоте уступа, весьма сложно. В этих условиях целесообразно использование комбинированного долота, агрегированного несколькими поро-доразрушающими органами, способными работать поочередно или совместно, создавая благоприятные условия воздействия на забой. В случае одновременного совместного воздействия нескольких породораз-рушающих органов на забой скважины общий эффект складывается из отдельных элементов разрушения каждым органом в отдельности [7, 8].
Варианты такого инструмента созданы и прошли испытания: режуще-шарошечные долота (разработчики - Иркутский и Кузбасский государственные технические университеты), долота с зубчато-дисковыми шарошками (Сибирский федеральный государственный университет), режуще-ударный инструмент (Научно-исследовательский институт открытых горных работ) и др. [9]. Использование данного инструмента позволяет существенно снизить энергоемкость разрушения породы на забое за счет создания благоприятных условий работы породоразрушающих органов [10].
Очень важна своевременная очистка скважины от
продуктов разрушения, исключающая повторное измельчение частиц породы, что сопровождается дополнительными энергозатратами. Бурение взрывных скважин на карьерах производится со шнековой или пневматической очисткой. Шнековая очистка обеспечивает транспортировку продуктов разрушения винтовым конвейером. Этот способ достаточно малоэнергоемок, но создает сложности транспортирования буровой мелочи в призабойной зоне скважины, особенно при проходке влажных глиносодержащих пород, способных к налипанию и намерзанию на спираль шнека. Продувка является более эффективным, но и существенно энергозатратным способом удаления продуктов разрушения породы с забоя, когда скорость воздушного потока должна составлять сумму скоростей, необходимых для перехода частиц во взвешенное состояние, и скорости их движения в затрубном пространстве. Наиболее оптимальным вариантом является шнеко-воздушный способ очистки, сочетающий оба варианта. По шнеку транспортируются более крупные частицы, а мелкие - потоком воздуха, циркулирующим в межвитковом пространстве шнека. В случае пневматического и шнеко-пневматического способов важно иметь возможность регулирования расхода воздуха и его рабочего давления, принимая их оптимальные значения. Оптимизация работы системы транспортирования продуктов разрушения из скважины позволяет существенно снизить энергозатраты процесса бурения. Такие комбинированные системы очистки предусмотрены на буровых станках СБШК-200 и СБР-160Б-32.
Наиболее производительной работы бурового станка и экскавации горной массы можно достичь путем выбора оптимальных режимов: для бурового станка - осевого усилия, частоты вращения бурового става и расхода продувочного воздуха; для экскаватора - толщины слоя породы, снимаемой режущей кромкой ковша, скорости движения ковша вдоль забоя и развиваемого усилия на тяговом или подъемном и напорном канатах.
Одноковшовые карьерные экскаваторы отечественного производства (Ижорский завод, «Уралмаш») по основным рабочим характеристикам удовлетворяют требованиям эксплуатационников угольных разрезов, находятся на мировом конструктивном и технологическом уровнях и пользуются спросом на азиатско-тихоокеанском и африканском рынках горного оборудования.
Новые образцы карьерных экскаваторов, изготовленные отечественными машиностроительными предприятиями, по своим техническим параметрам и показателям не уступают лучшим зарубежным аналогам. Одной из таких машин является экскаватор ЭКГ-12, разработанный ООО «ОМЗ - Горное оборудование и технологии» («ОМЗ - ГОиТ»). Опыт промышленной эксплуатации этих экскаваторов на разрезах Кузбасса подтвердил правильность принятых конструктивных решений. Данный образец экскаватора по своему техническому уровню и надежности соответствует лучшим мировым образцам. Эта машина должна в перспективе стать наиболее распространенной в
комплексе с автосамосвалами грузоподъемностью 120-130 т [11].
Шагающие экскаваторы ООО «ОМЗ - ГОиТ» зарекомендовали себя как высокопроизводительные надежные машины, хорошо приспособленные для работы в любых климатических и горно-геологических условиях. Ведущие специалисты и руководство компании «Вusyrus» на встрече в г. Милуоки (США) оценили российские шагающие экскаваторы-драглайны как серьезных конкурентов своим машинам, в первую очередь, на динамично развивающихся рынках Индии и Китая [11, 12].
Улучшение показателей и снижение затрат на буровые и выемочно-погрузочные работы может быть достигнуто на базе модернизации и ввода в строй новых моделей буровых станков, карьерных и вскрышных экскаваторов, а также оптимизацией количества единиц оборудования, занятого на выполнении заданного объема горных работ с учетом широкого использования рациональных и вновь освоенных технологических схем отработки угольных пластов конкретных горно-геологических условий разрезов.
Разработаны, проходят испытания и внедрение системы программного управления работой буровых станков и процессом копания одноковшовыми экскаваторами. Использование таких систем позволяет оптимизировать выбор параметров режима работы оборудования, повысить его производительность и обеспечить надежную защиту от перегрузок.
Перспективным направлением технического перевооружения выемочно-погрузочных работ на разрезах является создание и повсеместное использование карьерных гидравлических экскаваторов [5, 13]. Разработан типоразмерный ряд гидравлических экскаваторов с максимальным использованием серийно выпускаемых отечественными заводами узлов, агрегатов и компонентов гидропривода. С учетом эксплуатации опытного образца экскаватора ЭГ-5.5 и его промышленных испытаний на руднике ООО «Фосфорит» разработана и передана корпорации «Объединенные машиностроительные заводы» конструкторская документация на экскаваторы ЭГ-150, ЭГ-250, ЭГ-350 и ЭГ-550. Основные тенденции развития мощных отечественных гидравлических экскаваторов заключаются в упрощении и расширении области эффективного применения, создания и внедрения энергосберегающих рекуперирующих приводов, автоматизации систем управления. Совершенствование кинематики рабочего оборудования позволяет устанавливать оптимальный угол наклона ковша к горизонту и регулировать усилие напора при изменяющихся условиях отрабатываемого забоя, таким образом снимая пиковые нагрузки на привод. Снижение энергозатрат достигается за счет уменьшения потерь энергии в переходных режимах и
рекуперации энергии при попутной нагрузке. Автоматизацию системы управления намечено решить путем применения современных бортовых ЭВМ и микропроцессорной техники, программного обеспечения процесса копания (выбор и поддержание оптимальной траектории копания, поворота на выгрузку и в забой) и контроля технического состояния основных узлов бурового станка и экскаватора с устранением пиковых нагрузок.
Гидравлические и канатные экскаваторы, выпускаемые зарубежными фирмами, оснащаются автоматическими централизованными системами смазки, разработанными немецкой фирмой «Lincoln». Такие системы автоматической смазки устанавливаются на экскаваторах ЭШ-25.100, ЭКГ-10, ЭКГ-12. Изготовители бурового станка СБШ-160/200-40 готовы приобрести и смонтировать данную систему смазки.
Анализ состояния и технического уровня бурового и выемочно-погрузочного оборудования угледобывающих разрезов является основанием для вывода о необходимости технического перевооружения как основы эффективности и конкурентоспособности открытой угледобычи на энергетическом рынке. Ситуация усугубляется значительным сокращением заказов на буровое и экскаваторное оборудование в последние 15-20 лет, что в значительной степени дезорганизует ранее налаженное его производство на машиностроительных заводах России. Закупка этого оборудования за рубежом требует значительных средств и приведет к дальнейшему снижению темпов опытно-конструкторских работ и темпов совершенствования российской машиностроительной базы, а также к существенной зависимости угольной промышленности страны от иностранных фирм.
Улучшение технико-экономических показателей угледобычи открытым способом в современных производственных условиях на горных предприятиях может быть достигнуто заменой и модернизацией имеющегося парка бурового и экскавационного оборудования, более широким использованием систем гидропривода в основных механизмах машин, углублением уровня автоматизации и внедрением программного управления как основными, так и вспомогательными операциями.
Учитывая более низкую стоимость российского оборудования по сравнению с импортными машинами того же класса и освоенность изготовления горной техники за рубежом, необходимо использовать шанс наполнения российским горнодобывающим оборудованием предприятий Азиатско-Тихоокеанского региона и Африки. В противном случае этот рынок будет захвачен горнодобывающей техникой США, Германии, Японии и Канады.
Библиографический список
1. Щадов В.М., Ефимов В.Н. Современное состояние горнотранспортного оборудования разрезов и основные направления их технического перевооружения // Горные машины и автоматика. 2004. № 9. С. 2-21.
2. Подэрни Р.Ю. Станки вращательного бурения взрывных
скважин на открытых работах за рубежом // Горное оборудование и электромеханика. 2006. № 12. С. 20-24. 3. Подэрни Р.Ю. Анализ конструкций современных станков вращательного бурения взрывных скважин на открытых работах // Горное оборудование и электромеханика. 2009.
№ 2. С. 27-34.
4. Субботин А.И., Перепелицин А.И., Пьянников В.П., Сычев К.К., Антипов В.Н. Методические указания о порядке продления срока службы технических устройств, зданий и сооружений с истекшим нормативным сроком эксплуатации в горнорудной промышленности (РД 06-565-03). М.: ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003.
5. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров. М.: Изд-во МГГУ. 2007. 673 с.
6. Страбыкин Н.Н., Беляев А.Е. Состояние и пути совершенствования буровой техники нового поколения для карьеров Сибири и Северо-Востока России // Горные машины и автоматика. 2003. № 4. С. 5-9.
7. Мельников Н.В., Реентович Э.И., Симкин Б.А. [и др.]. Теория и практика открытых разработок. 2-е изд., перераб. и доп. М: Недра. 1979. 636 с.
8. Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при бурении скважин: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2009. 136 с.
9. Страбыкин Н.Н. Техника бурения взрывных скважин в мерзлых породах. М.: Недра, 1989. 172 с.
10. Страбыкин Н.Н., Пеплов Е.В. Оценка энергоемкости процесса разрушения породы на забое скважины по гранулометрическому составу буровой мелочи // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. научн. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. Вып. 10. С. 58-64.
11. Дурнов Н.П., Крагель А.А., Ветков В.Н. Новое поколение мощных карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. 2007. № 2. С. 2-4.
12. Страбыкин Н.Н. Расширение применения отечественных гидравлических экскаваторов в горнодобывающей и строительной отраслях промышленности - актуальная потребность времени // Горные машины и автоматика. 2003. № 10. С. 18-20.
УДК 622.244.46
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СКВАЖИНЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРЕНИЯ МЁРЗЛЫХ МАССИВОВ
А.Н. Шевченко1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Высокопроизводительное бурение скважин в условиях сложноструктурных мерзлых массивов карьеров Севера возможно при соответствии типа исполнительного органа условиям бурения, при выборе оптимального режима его отработки и рациональных параметров потока очистного продувочного агента, позволяющих при высокой интенсивности образования и крупности частиц буровой мелочи обеспечить своевременную качественную очистку призабойной зоны и затрубного пространства скважины, исключив вероятность повторного измельчения продуктов разрушения и возможность нарушения очистки скважины. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: многолетняя мерзлота; бурение; тепловой режим; способ бурения; очистка скважин.
EFFECT OF THE WELL TEMPERATURE REGIME ON THE DRILLING EFFICIENCY OF FROZEN MASSIFS A.N. Shevchenko
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
High performance drilling of wells under conditions of complex structure frozen massifs of the Northern quarries is possible under the correspondence of the type of the executive tool to drilling conditions; under the selection of the optimal mode of its working-off and rational parameters of the flow of a purifying blow-off agent that under high formation intensity and particle coarseness of drillings allow to ensure well-timed qualitative cleaning of bottom-hole zone and annulus, excluding the possibility of destruction product regrinding and the possibility of well cleaning interruption. 3 sources.
Key words: permafrost; drilling; heat regime; method of drilling; cleaning of wells.
Вскрышные породы большинства угольных, россыпных и рудных месторождений Сибири, Забайкалья, Якутии по своему строению отличаются высокой неоднородностью и сложными мерзлотно-гидрогеологи-ческими условиями. Они представлены песчаниками, известняками, гравелитами, алевролитами и аргиллитами, а также рыхлыми отложениями, состоящими из обломочного материала осадочных и изверженных пород различной окатанности и размеров. Месторождения, как правило, находятся в зоне многолетней
мерзлоты, встречаются отдельные месторождения и участки, на которых мерзлота имеет островной характер. Однако петрографическая характеристика полностью не определяет физико-механические свойства той или иной породы.
Многолетнемерзлые породы весьма чувствительны к внешним воздействиям. Даже при малых колебаниях температуры значительно изменяются их физико-механические свойства. Это обусловлено возникновением переходных процессов в порах мерзлой
1 Шевченко Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 89646541034, e-mail: shan@istu.edu
Shevchenko Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 89646541034, e-mail: shan@istu.edu
