CC BY
61
метры зон обрушения подработанных пород кровли в окрестности горных выработок при малой глубине залегания угольного пласта на основе анализа пространственного НДС углепородного массива и использования энергетической деформационной теории.
--------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рис. 2. Параметры зоны обрушения подработанных пород кровли
1. Безухое Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н.И. Безухов. - М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.
2. Авершин С.Г. Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок / С.Г. Авершин. - Л.: ВНИМИ, 1960. - 87 с.
3. Тимошенко С.П. Теория упругости: Пер. с англ. / С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер. - М.: Наука, 1975. - 576.
4. Хилл Р. Математическая теория пластичности: Пер. с англ./ Хилл Р. - М.: Гостехиздат, 1956. - 452 с.
___ Коротко об авторах ____________________________________________________________________________
Павлова Лариса Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент,
Фрянов Виктор Николаевич - доктор технических наук, профессор,
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», г. Новокузнецк.
------------------------------------------------ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Черников Ю.Г. Анализ современных способов решения задач оптимизации в сети ШетеЪ) (№ 360/09-04 - 02.06.04) 4 с.
2. Болвинов А.А. Исследование возможности применения гидравлического экскаватора ЭГ-10М при различных условиях ведения горных работ (№ 359/09-04 - 02.06.04) 4 с.
-------------------------------------------- © Р.И. Сухов, B.C. Болкисев,
А. В. Тымчур, Г.А. Полянский,
2004
УДК 622.233.6:622.24.051.55
Р.И. Сухов, B.C. Болкисев, А.В. Тымчур, Г.А. Поланский
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ СПОСОБЕ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН
Семинар № 3
з механических способов бурения шарошечный остается доминирующим как в зарубежной, так и в отечественной практике. Однако на отечественных предприятиях за последние 3-4 года затраты на буровзрывные работы увеличились с 3-5 % до 28-30 % от общих затрат на добычу горной массы. В немалой степени это связано с возрастающей стоимостью шарошечного бурения, основными элементами которой являются затраты на буровой инструмент и энергопотребление [1]. Низкая эффективность шарошечного бурения объективно предопределена слабой теоретической изученностью механизма разрушения пород в процессе бурения. Так, созданные и создаваемые буровые станки имеют рабочие параметры, зачастую превышающие прочность бурового инструмента. В свою очередь, буровой инструмент создавался лишь с учетом прочности пород и руд. Структурномеханические свойства буримого массива, такие как слоистость, трещиноватость, зернистость, перемежаемость литологических структур, обводненность и т.д., не учитывались. Это привело к созданию ограниченного парка буровых станков и недостаточного количества типоразмеров долот и, как следствие, к низкому коэффициенту использования, высоким энергозатратам и невысокой надежности процесса бурения. Близкими к оптимальным для шарошечных долот оказались только условия обуривания массивов с квазиизо-тропными прочностными характеристиками. Но эта область крайне ограничена. Исследования же и практика показывают, что структурномеханические параметры массива обусловливают распределение нагрузок на отдельные элементы бурового инструмента, влияя на надежность их работы. Изменение структурно-механичес-ких свойств резко снижает надежность долот, вызывая рост затрат на буровой инструмент до 35-45 % от общих затрат на бурение.
Таким образом, повышение эффективности при механическом способе бурения возможно только при устранении несоответствия параметров бурения и конструкции инструмента горнотехническим условиям добывающих предприятий. Это означает необходимость установления и использования зависимостей, связывающих взаимообусловленность создаваемых инструментом нагрузок с временными, прочностными и структурно-механическими свойствами массива. Знание таких закономерностей раскрывает пути интенсификации про-
цесса разрушения и удаления разрушенных пород с забоя скважины [6].
Следовательно, первое направление повышения интенсификации буровых работ связано с получением информации о свойствах горного массива, причем, без разрушения блоков, размеры которых меньше размеров сети разведочных скважин. Необходимая информация может быть получена только через физические поля. В частности, ее можно получить с помощью многоволновой сейсмометрии, позволяющей корректирорвать технологические параметры буровых и взрывных работ [2, 3]. Здесь основополагающим принципом определения структурно-механических свойств является то, что нарушение сплошности планируемого для обуривания массива находят отражение в величине скорости сейсмических волн. При этом свойства массива изучаются в естественном залегании и учитывается качественный переход его состояния при увеличении трещиноватости. Массив перестает быть единым целым и рассматривается взаимодействие бурового инструмента с отдельными его элементами. Оценка состояния массива производится следующим способом. В объеме исследуемого блока получают распределение значений скорости или производного от нее параметра, например, асж. Максимальные значения параметра соответствуют участкам наименее метамор-физованных пород. Если скорости сейсмических волн в массиве составляют 80-100 % от максимальной скорости для данной литологической разности, то этим участкам будут соответствовать максимальные значения асж, определенные на образцах. Так определяется верхний предел изменения асж . Если он отличается от максимальных значений асж, полученных в результате расчетов с использованием скоростей волн, вводится поправочный коэффициент. Минимальные рассчитанные значения должны находиться в интервале до 5 МПа от минимальных значений, определенных на образцах. Нижний предел соответствует переходу от скального массива к полу скальному, т.е. дезинтегрированному. Нарушенным участкам будут соответствовать значения асж, которые меньше минимальных значений, полученных на образцах. Эта граница отделяет трещиноватые, нарушенные породы от монолитных, а не контакты между литологическими структурами. Такой тип информации более технологически ориентирован, чем геологический разрез, так как здесь отражается только та информа-
ция, которая необходима для расчета параметров разрушающих воздействий бурового инструмента.
Метод многоволновой сейсмометрии использован нами при определении структурномеханических свойств одного из подготовленных к обуриванию блока на карьере ОАО «Ураласбест». Расшифровка сейсмограмм выявила не только структурную неоднородность пород блока, но и меньшую прочность пород внутри неоднородностей (рис. 1, 2). На рисунках справа показана вертикальная шкала соответствия тональности штриховки и величины Стсж = f (V), МПа.
В результате предполагаемые для бурения шарошечные долота твердосплавного типа (КПВ) были заменены более дешевыми долотами без твердого сплава типа (ТПВ). Долота показали высокую износоустойчивость и затраты на буровой инструмент на данном блоке были сокращены на 35-40 %.
Вторым важнейшим путем интенсификации процесса разрушения является приведение в соответствие конструкции бурового инструмента и механизма разрушения путем выбора рациональных типоразмеров долот. Это обусловлено тем, что затраты на бурение 1 м скважины по буровому инструменту могут изменяться в широком диапазоне - от 60-70 до 300-350 руб. Они определяются с одной стороны прочностными и абразивными свойствами массива, а с другой - правильностью выбора типоразмера и качеством изготовления долот. При выборе типоразмера необходимо учитывать, что максимальная эффективность разрушения достигается тогда, когда разрушающие нагрузки и способы их приложения соответствуют безусловному разрушению массива с минимальным временем образования зон трещиноватости. Конструкция выбранного инструмента должна обеспечить увеличение растягивающих напряжений около ядра уплотнения (сжатый объем породы непосредственно под буровым инструментом) и дополнительно создать (за счет изменения динамики разрушения) касательные напряжения, направленные на разрушение массива. В связи с этим в ИГД УрО РАН выполнены исследования закономерностей влияния бурового инструмента на эффективность процесса разрушения и установлены основные зависимости, раскрывающие качественно-количественный характер деформаций как в буровом инструменте, так и в массиве разрушаемых горных пород. Иссле-
дования и расчеты проведены по методике оценки работы вооружения, включающей все геометрические параметры долота и глубину погружения зубьев в породу. Основными критериями оценки (кинетические характеристики) работы долота являются: экстремальная скорость движения зубьев соответствующих венцов на контакте с породой; относительная удельная контактная работа разрушения; относительный удельный объем разрушения. Первый критерий определяет режим вращения шарошек, второй - абразивный износ вооружения по венцам, третий - величину интенсивности разрушения породы на определенных участках забоя скважины. Совокупность кинетических характеристик условно названа кинетическим паспортом бурового долота. Расчет паспорта выполняется на ЭВМ по программе КИПСМ (кинетический паспорт долота со смещенными осями). Реализация расчетов в конструкции долота позволила аналитически проследить его работу на забое скважины, решать проблему исключения тренинга( проскальзывание зубьев долота), рассчитать показатель объемного разрушения породы, учесть неравномерность поражения забоя венцами шарошек, установить показатель механической скорости бурения [4]. За показатель эффективности работы долота принята энергоемкость разрушения породы. При экспериментах выявлялись и фиксировались границы скачков разрушения и рассчитывались соответствующие относительные нагрузки на элемент вооружения. Установлено, что с увеличением скалывающей способности вооружения наблюдается уменьшение нагрузки на его элементы. Стабилизация наступает на втором скачке разрушения, т.е. долота работают эффективно, если они обеспечивают не ниже, чем вторую область разрушения. По результатам экспериментов установлена форма вооружения для различных по пределу текучести и модулю упругости пород. В частности, установлено, что при модуле упругости пород меньшем 25000 МПа серийное вооружение не обеспечивает даже первого скачка разрушения. Оно в наибольшей степени соответствует карбонатным горным породам, в меньшей - песчано-глинистым, и практически не соответствует долеритам, которыми в основном и представлены породы большинства карьеров. В связи с этим изготовлена и испытана экспериментальная партия шарошечных долот с измененной конструкцией вооружения (вылет, размеры и форма породоразрушающих элементов
и т.д.). Опытная партия испытана в условиях карьеров комбината Ураласбест. При этом износостойкость инструмента увеличилась на 4045 %, а энергозатраты уменьшились на 20-30 %.
Комплексно оценить эффективность обоих направлений повышения интенсификации разрушения породы можно через эксплуатационные затраты на бурение 1 м скважины (С, руб/м). Этот экономический показатель учитывает не только величину проходки на долото и его стоимость, но и затраты, зависящие от времени работы бурового станка [4]:
С = [(t6 + ten + tB). Св + Сд]/Ь,
С = [l/vMex + (ten + tB)/L]. Св + Сд/L, где tg - время (долговечность) работы долота в конкретных горно-технических условиях, час; tcn и tB - норматив времени соответственно на спуско-подъемные и подготовительно- заключительные операции, час; Св - стоимость часа
1
fii-ISi—
»и«ииИ8Ш
(нЭга 39.6 57.2
»ажт. ад, расход ВВ: 0.М97 хг/мЗ, Сеть скващы 7,081 м.
работы бурового станка, руб.; Сд
- оптовая цена долота, руб.
Поскольку предприятия заинтересованы в увеличении износостойкости долот, предлагаемая методика учитывает большую износостойкость усовершенство-
ванных конструкций по сравнению с серийными. По фактически достигнутой износостойкости опытные партии долот должны оплачиваться потребителем из расчета:
Цо = Цс + Цс/Ц6. (Ь - Ьс)/2,
где Ц0 и Цс - соответственно цена оптового и серийного долота, руб.; Ьо и Ьс - стойкость соответственно серийного и опытного
долота, м.
В случае увеличения износостойкости образуются дополнительные средства, которые перечисляются заказчиком поставщику. За счет этих средств производится доводка опытных долот до серийного производства для горно-технических условий конкретного предприятия-заказчика. Необходимо отметить, что основными резервами повышения качества отечественных долот являются: повышение точности изготовления элементов долот, улучшение качества сборки, совершенствование конструкции опорных узлов и применение более стойких сплавов и материалов.
Третьим направлением, открывающим возможности интенсификации бурения, особенно в крепких и крепчайших породах, является создание принципиально нового бурового инструмента. В нем должна быть реализована идея сложения динамического вдавливания вооружения, т.е. выкола и динамического скола на свободную поверхность, в двух направлениях: окружном и радиальном [5]. Предложенный и запатентованный способ бурения и устройство для его осуществления включают следующую совокупность операций:
- вращение бурового става приводом, расположенным на поверхности;
Рис. 1. Блок 1 - вертикальное распределение прочностных свойств. (Юж-1Ш Си) ный карьер, западный борт, горизонт
32 м)
- периодический подъем бурового става с одновременным радиальным перемещением породоразрушающих элементов по забою скважины с разрушением его скалыванием;
- ударное взаимодействие породоразрушающих элементов с забоем скважины под действием массы всего бурового става и накопленной в нем упругой энергии;
- периодический поворот при падении бурового става с разрушением забоя скалыванием в окружном направлении.
Эксплуатация предложенного устройства возможна на серийной буровой технике - станках класса СБШ-200, СБШ-250. Устройство
Рис. 2. Блок 2 - вертикальное распределение прочностных свойств (Южный карьер, восточ ный борт, горизонт 92 м)
предусматривает заменяемость разрушающих элементов. Его использование снижает как стоимость производства самого инструмента, так и расходы на его эксплуатацию в силу, меньших по сравнению с чисто шарошечным способом бурения, энергозатрат на проходку при бурении скважин диаметром 200-400-450 мм.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исследование механизма разрушения и установление влияния структурно-механических свойств массива на интенсивность процесса бурения.- Отчет/ Сухов Р.И., Болкисев B.C. и др. - ИГД УрО РАН, 2003, Екатеринбург, 39с.
2. Воронцов И.В. Многоволновая сейсмометрия при решении горно-геологичнеских задач. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1998. - 112 с.
3. Воронцов ИВ., Шеменев В.Г. Прогнозирование разрушающего действия волн напряжений на основе данных сейсмометрии.//Физические проблемы разрушения горных пород. Часть 1 - С-Петербург, 2001. - С. 9496. - (Записки горного института).
4. Торгашов А.В., Блинков О.Г, Мосеев Д.Ю. Разработки в области управления качеством изготовления шарошечных долот повышенной работоспособности. - Самара: - Самарский научный центр РАН, 2000. 69 с.
5. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Тымчур А.В. К вопросу исследования механизма разрушения при бурении взрывных скважин./Физические проблемы разрушения горных пород./ Часть 2. - С-Петербург: (Записки горного института), 2000. - с. 167-169.
6. Сухое Р.И. Воздушно-эмульсионный способ очистки взрывных скважин при бурении. - Екатеринбург: УрО РАН. 2001. 113 с.
__ Коротко об авторах
Сухов Р.И. - кандидат технических наук,
Болкисев В. С. - кандидат технических наук,
Тымчур А.В.,
ИГД УрО РАН.
Поланский Г.А. - ОАО «Урабурмаш».
--------------------------------------------------- © А. С. Курилко, В.И. Попов,
2004
УДК 551.341
А. С. Курилко, В.И. Попов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ПОРОД ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦИКЛОВ ЗАМОРАЖИВАНИЯ -ОТТАИВАНИЯ
Семинар № 3
ТЖ зменение прочности горной породы относится и к вопросам устойчивости откосов
-КА. после воздействия циклов заморажи- бортов карьеров и поверхности подземных
вания - оттаивания влияет на долговечность горных выработок подвергающиеся знакопе-
различных геотехнических сооружений. Это ременным температурным воздействиям.
1З1
