CC BY
77
3. Сухов Р.И., Контеев О.Ю. Основные направления создания и совершенствования буровой техники и инструмента для проходки взрывных скважин. Сб. материалов международной конференции, - Екатеринбург: ИГД Уро РАН, 2005, 207 с.
4. Протасов Ю.И. Теоретические основы механизма разрушения горный пород. - М.: Недра, 1971, 230 с.
Коротко об авторах
Михайлов В.И., Слесарев А.В. - ОАО «Уралбурмаш».
А_________
------------------------------ © Р.И. Сухов, А.Г. Поланский,
А.С. Реготунов, 2007
Р.И. Сухов, А.Г. Поланский, А.С. Реготунов
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ШАРОШЕЧНОГО И УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО СПОСОБОВ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН
Основные объемы буровзрывных работ на горнодобывающих предприятиях России, СНГ и за рубежом осуществляется с применением механических способов бурения взрывных скважин. В условиях открытых горных работ
более 90 % объемов взрываемой горной массы в породах крепостью по М.М. Протодьяконову f = 8-18 обуривается шарошечными буровыми станками и 60-65 % ударно-
вращательными при ведении подземных горных работ.
Учитывая, что затраты на бурение взрывных скважин, в зависимости от способа разработки, составляют от 10 до 25 % от общих затрат на добычу полезного ископаемого, а половина этих средств расходуется на приобретение и эксплуатацию бурового инструмента, вопросы повышения эффективности проходки взрывных скважин приобретают особую актуальность [1].
Предлагаемой методикой предусматривается развитие теоретических основ разрушения крепких горных пород вращательным и ударно-вращательным способом с целью установления новых закономерностей, обеспечивающих интенсификацию разрушения за счет применения механизма разрушения на вновь образованные свободные поверхности. Работой предполагается установление взаимосвязи свойств обуриваемого массива горных пород с конструктивными параметрами разрушающего инструмента и технологией бурения.
На основании ранее выполненных работ [2, 3] достаточно детально изучены свойства большинства буримых пород на стандартных образцах, установлены способы приложения нагрузок на их разрушение, направление деформаций и их величины, возникающие в образцах различных прочностных свойств и состава: от хрупких до пластичных, а также зернистых и трещиноватых. Изучение влияния разрушающих нагрузок в части направления их приложения и сложного напряженного состояния испытуемых образцов позволяет определить условия, при которых происходит их непременное разрушение.
Для хрупкого разрушения отрывом методикой предполагается использование первой и второй теорий прочности, для разрушения пластичных пород сколом - третьей и четвертой -энергетической теорий прочности. Наиболее приемлемой для разрушения при бурении является энергетическая теория, т.к. разрушение породы заключается во вводе энергии для преодоления связей, для увеличения потенциальной и
кинетической энергий разрушения объемов, поэтому оценку эффективности бурения по конкретным горным породам предлагается оценивать с учетом энергоемкости.
Определяемые физико-механические и структурные свойства образцов горных пород еще не дают полного представления о прочностном состоянии буримого массива.
В связи с этим методикой предусматривается определение свойств локальных массивов, позволяющих определить оптимальные режимы разрушения горных пород в процессе бурения. Проникнуть вглубь горного массива без его разрушения позволяют только физические поля. Наиболее перспективным является использование сейсмических полей искусственного происхождения, так как скорость сейсмических волн в массиве наиболее тесно связана с упругими свойствами горных пород, определяющими их сопротивление разрушению. Этот метод позволяет определить показатели прочностных свойств горных пород в естественном залегании (массиве), необходимых для выбора и оптимизации параметров механизма разрушения горных пород при бурении [4].
На рис. 1 представлено распределение прочностных свойств буримых горных пород на одном из блоков, подлежащих обуриванию на Южном карьере ОАО «Ураласбест».
Качественное улучшение показателей бурения может быть достигнуто за счет изучения и теоретической разработки механизмов разрушения массива, обеспечивающих ослабление прочностных свойств пород и руд за счет создания дополнительных скалывающих поверхностей и зон предраз-рушения на забое скважин.
Одним из основных вопросов бурения скважин является эффективность разрушения горной породы инструментом. Эффективным надо считать такой процесс, при котором при наименьших затратах энергии производится отбойка максимального объема породы. Существует три основных вида отбойки: отбойка сколом, выколом и блокированным сколом. Наиболее эффективным, с точки зрения наименьших энергозатрат, является скол на вторую свободную поверхность. Характеризовать скол можно величиной Н - расстоянием до второй свободной поверхности. От Н напрямую зависит объ-
ем отбитой породы, следовательно, эффективность бурения Нопт.. для скола [4] определяется по формуле
Н0пт =мР /(о- В • к), (1)
где /л - коэффициент Пуассона; Р - усилие на инструменте; а -предел прочности; В, к - геометрические параметры.
При увеличении величины Н до критической происходит переход от отбойки сколом к отбойке выколом
Нкр = 2ц1Ъ /(о- В • к), (2)
где Ь - коэффициент формы объема.
Оптимальное расстояние до второй свободной поверхности при блокированном сколе равно
Нопт. = ЕцЬц/(2оВк), (3)
где п - доля затраченной энергии на вторую поверхность.
Сравнивая критическое значение расстояния до второй свободной поверхности с оптимальным, видим, что Нкр в два раза больше, чем Нопт. При одинаковых действующей силе и затраченной энергии эффективность скола в 1/п2 раз больше, чем выкола. Следовательно, энергоемкость - меньше, а производительность - больше. Это следует учитывать при разработке перспективного бурового инструмента. Увеличить объем породы, отбитой сколом, можно за счет выкола на начальном этапе, который дает увеличение числа свободных поверхностей. Чистый скол может быть осуществлен только в условиях, когда число свободных поверхностей не менее двух и эти поверхности взаимно ортогональны. При этом высота второй свободной поверхности не должна позволять породе беспрепятственно скалываться, т.е. быть как бы бесконечной. Если существует препятствие в виде третьей поверхности, которая ограничивает глубину скола, то такой скол является блокированным. При блокированном сколе отбойка производится на ограниченную свободную поверхность. Очевидно, что при блокированном сколе, как и при чистом сколе, существует оптимальное значение Нопт., при котором достигается максимальная эффективность отбойки при одной и той же приложенной силе (осевой нагрузке). При этом если фактически расстояние Нф > Нопт., то произойдет
переход к выколу, а если Нф < Нопт., то это приведет к чистому сколу, но объем отбитой породы будет меньше, следовательно, энергозатраты возрастут. На величину отбиваемого при блокированном сколе объема влияет величина второй свободной поверхности, которая должна позволять полностью использовать силу Р в режиме скола. При оптимальных параметрах отбойки эффективность разрушения блокированным сколом в 1,7-3,5 раза выше, а энергозатраты, следовательно, в 1,7-3,5 раза ниже, чем при разрушении выколом.
Таким образом, подбирая оптимальное расстояние между внедряющимися в породу зубками, можно создавать инструмент, наиболее эффективный для разных типов пород. Следует также обратить внимание на высоту штыря: чем глубже штырь проникает в породу, тем больше скол, следовательно, больше вновь образованная свободная поверхность, позволяющая произвести последующий скол наиболее рациональным способом. Скорость бурения согласно [6], равна
Убур = П Ко , (4)
где п - частота вращения; И0 - углубление долота за один оборот.
Из формулы (4) видно, что чем глубже внедряется инструмент, тем больше скорость бурения.
Механизм разрушения горных пород, включающий вы-кол и скол, дает хорошие результаты при ступенчатом бурении скважин исполнительным органом, оснащенным шарошками и ударником, в котором ударник опережающе в центральной части забоя разрушает породу в основном сколом, шарошки на периферии забоя разрушают породу в основном выколом, а к центру забоя - выколом и сколом или блокированным сколом.
При получении результатов по свойствам обуриваемых массивов производится выбор бурового инструмента для конкретных условий бурения. Для открытых горных работ устанавливаются наиболее целесообразные типоразмеры шарошечных долот, для подземных - буровых коронок штыревого или лезвийного типов. Расположение вооружения долж-
но максимально соответствовать предварительному расчету поражения забоя скважины с достижением основной цели -скола на вторую свободную скалывающую поверхность. Расчет производится по специально разработанной методике, включающей экспериментальную проверку на стенде, а затем и в производственных условиях.
Целью испытаний является получение объективной технической и экономической информации о фактически достигнутых показателях работы бурового инструмента для выбора его рациональных типоразмеров и оценки эффективности, а также обоснования и планирования потребности горных предприятий в инструменте.
Для достижения этой цели необходимо перед началом испытаний решить следующие задачи:
- выполнить детальный анализ технико-экономических показателей применяемого на предприятии бурового инструмента с установлением основных показателей бурения и причин выхода из строя бурового инструмента;
- установить стоимостные показатели применяемых типоразмеров бурового инструмента отечественных (а если применялись, то и зарубежных) производителей;
- установить удельные затраты на 1 м проходки с расшифровкой статей затрат с целью определения основного влияния затратных статей на изменение стоимости бурения;
- установить влияние горнотехнических условий бурения на изменение стоимости проходки с целью выбора оптимального типоразмера долота либо доработки конструкции для повышения эффективности в конкретных условиях бурения (крепости, трещиноватости, обводненности и других специфических условий).
Выводы
1. Разработанная методика, в отличие от существующих, направлена на изучение зависимостей, связывающих технологию бурения, конструкцию инструмента и механизм разрушения, направленный на образование дополнительных скалывающих поверхностей и зон предразрушения, обеспечивающих энергосбережение при бурении.
2. Методикой предусматривается определение показателей бурения непосредственно в локальных массивах горных
пород и установление зависимостей, определяющих возможности интенсификации механических способов бурения.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технико-экономические показатели горных предприятий за 19902005 гг. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2006. - 364 с.
.Беляев М.М. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1978. - 607 с.
2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1971. - 230 с.
3. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. - М.: Недра, 1975. - 241 с.
4. Сухов Р.И., Контеев О.Ю. Основные направления создания и совершенствования буровой техники и инструмента для проходки взрывных скважин // Сб. материалов Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2005. - 207 с.
5. Крюков Г.М. Теоретическая оценка влияния скольжения зубьев на эффективность бурения горных пород шарошечными долотами. - Л.: (записки ЛГИ), Т.99, 1984. - С. 101-104.
6. Воронцов И.В. Многоволновая сейсмометрия при решении горногеологических задач. - Екатеринбург: УрО РАН, 1988 - 112 с.
|— Коротко об авторах------------------------------------
Сухов Р.И., Поланский А.Г., Реготунов А.С. - Институт горного дела УрО РАН.
